Биотопливо: перспективы использования в мировом масштабе

Наверное, излишне напоминать о том, что львиную долю (более 80%) всей механической энергии на земле вырабатывают двигатели внутреннего сгорания, которые являются основными потребителями всех видов топлив минерального происхождения, ресурсы которых ограничены. Ужесточение норм выбросов вредных веществ с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания заставляют большинство стран мирового сообщества искать пути снижения воздействия тепловых двигателей на окружающую среду.

В последнее время все более широкое распространение получают альтернативные виды топлива из возобновляемого сырья растительного происхождения. К ним относятся растительные масла (рапсовое, подсолнечное, соевое, пальмовое, арахисовое и др.) и их производные.

Необходимо отметить, что интенсивные работы по переводу дизельных двигателей на альтернативные виды топлива ведутся как в странах с ограниченными энергетическими ресурсами, так и в странах с высоким энергетическим потенциалом, а также в высокоразвитых странах, имеющих возможность приобретения нефти, что говорит о высоких перспективах использования биотоплив. К основным биотопливам относится биодизель и биоэтанол.

Биодизель

Экологическое преимущество биодизеля: при работе двигателя на биодизеле на 23 % снижается дымность отработавших газов, снижается содержание твердого углерода, окиси углерода и СН. Небольшое количество серы (0,02%) в биодизеле улучшает экологические характеристики топлива, а кругооборот диоксида углерода СО₂ (выхлоп двигателя – потребление СО₂ растением) значительно снижает опасность парникового эффекта.

Кроме всех экологических преимуществ, биотопливная технология органически вписывается в схему фермерской деятельности, обеспечивая энергетику транспорта и сельскохозяйственных машин, поддерживая плодородие почвы (после уборки рапса на каждом гектаре остается в земле около 65 кг азота, 34 кг фосфорной кислоты, 60 кг калия), поставляя корм для скота.

Справка: рапс – Brassica Napus oleifera – однолетнее травянистое медоносное растение рода капусты семейства крестоцветных. Озимый и яровой рапс выращивают в Индии, Китае, Канаде и других странах для получения пищевого и технического масел (содержание масла в семенах 33-50%), а также на корм скоту.

Добавим также, что растительное масло, используемое для получения биодизеля, не токсично и не огнеопасно. В отличие от нефтепродуктов, растительное масло не имеет отвратительного вкуса и запаха. Поскольку растительное масло не содержит сернистых соединений, то и не приведет к кислотным дождям. Растительные масла нейтральны с точки зрения образования СО₂ при сжигании. И еще один немаловажный факт: масличные растения с помощью хорошо развитой корневой системы задерживают вымывание азотистых соединений и улучшают структуру почвы. Почему мировые производители биодизеля предпочитают именно рапсовое масло? Да потому, что: во-первых, рапсовое масло самое распространенное растительное масло в мире, во вторых, рапсовое масло не токсично, не загрязняет грунтовые воды и водоемы (при утечках полностью разлагается в почве в течении трех недель) и, наконец, в-третьих, рапсовое масло – самое безопасное горючее (точка воспламенения 325 ºС). Добавим также, что для производства энергоносителей на базе рапса не нужны дополнительные субсидии, за исключением гарантии, что установленные в настоящее время налоговые льготы будут сохранены, т. е. биотоплива не будут облагаться налогами, в отличие от минеральных топлив.

Существуют очевидные отличия свойств биодизеля от минерального дизтоплива: повышенная вязкость, повышенная зависимость плотности от температуры, более низкая удельная теплота сгорания, содержание кислорода около 11% и практически отсутствие сернистых и ароматических углеводородных соединений. Однако, многие производители уже выпускают серии дизельных двигателей, работающих на биотопливах. Кроме того, достигнут небывалый прорыв в создании двигателей повышенной мощности: созданы серии 3х, 4-х, 6-х цилиндровых моторов, работающих на растительном горючем с прямым впрыскиванием, турбонадувом и охлаждением, с интервалом мощностей от 40 кВт до 240 кВт. Среди марок автомашин, которые производят серии двигателей, работающих на биодизеле, находятся:

а) легковые: Audi, BMW, Mercedes, Seat, Skoda, Volvo, VW

б) грузовые: DAF, Eberspaecher, IVECO, MAN, Mercedes, Scania, Thermo King, Volvo, Webasto. Т.е. основные торговые марки с перспективой относятся к рынку биотоплив, подавая пример для последователей.

В связи с тем, что биодизель является кислородосодержащим топливом (дизельное топливо – 0,4 О₂, биодизель – 10,5 О₂), у него более низкая теплота сгорания и, как следствие, эффективный КПД меньше на 2,5% по сравнению с минеральным топливом.

Недостатки биодизеля.

Для перехода на биотопливо в автомобилях требуется замена топливного фильтра и некоторых топливопроводов. Кроме того, масло в двигателе должно меняться чаще обычного и соблюдаться определенный температурный режим. Еще один отрицательный момент, который возникает при использовании биодизеля – это меньшая мощность двигателя и, соответственно, больший расход топлива. Другая проблема заключается в том, что не все производители дают “добро” на переоснащение машины под биодизель, а сеть АЗС с таким топливом существует далеко не во всех европейских государствах. Но основной проблемой все-таки является невозможность производства сырья (рапса) в таких огромных количествах.

Экологические нормативы ЕС относительно биодизеля.

В 1993 г. в странах западной Европы запретили производить автомобили, не соответствующие требованиям Евро 1 (наличие катализатора, который уменьшает выброс СО₂ в атмосферу). С 2000 г. по 2003 г. действуют нормы Евро 3. Уже в 2005 г. требования к автомобилям возрастут до Евро 4, а в 2008 г. – до Евро 5. Новые нормы требуют снижения содержания углеводородов и соединений азота на треть, а угарного газа – на 80%.

8 мая 2003 г. в ЕС была приятна Директива использования биотоплива в грузовиках-дальнобойщиках, согласно которой к 2005 г. на государственных заправках в продаваемом бензине или дизтопливе содержание биотоплива должно составлять не менее 2%, а к 2010 г. – не менее 5,75%. Уже создана специальная государственная комиссия, которая будет отслеживать уровень содержания биотоплива.

Германия

В Германии рапс для производства биодизеля выращивается преимущественно на загрязненных территориях, однако, объемы выращиваемого технического рапса на загрязненных площадях ограничены соглашением Blair House Agreement (BHA). Поэтому, ввиду роста спроса на биодизель, приходится закупать пищевое рапсовое масло. Напомним, что производство рапса на нормальных землях также ограничено BHA до 1,5 млн. га. На сегодня в Германии под производство рапса занято 1,3 млн. га (и загрязненных земель и земель под продовольственный рапс). Зная, что Германии к 2005 г. нужно будет довести использование биодизеля до 2%, а к 2010 г. – до 5,75%, можно подсчитать, что к 2005 г. Германия должна производить 1,2 млн. т биодизеля, а к 2010 г. – уже 3,4 млн. т. Чтобы произвести указанные объемы, нужно к 2005 г. под рапс отвести как минимум 0,936 млн. га посевных площадей, а к 2010 г. – уже 2,57 млн. га. Это только под производство биодизеля, не включая производство продовольственного рапса. Однако, даже если допустить, что весь произведенный рапс пойдет на производство биодизеля, то Германия сможет выполнить свои обязательства только для 2005 и 2006 гг.

Подобный простой подсчет позволяет сделать вывод, что от увеличения потребления биодизеля в Германии может выиграть сельское хозяйство США, в случае, если Германия согласится использовать в производстве биодизеля соевое масло. В любом случае Германии необходимо будет импортировать рапсовое масло или рапс, или соевые бобы, по причине того, Германия сама не сможет обеспечить производство биодизеля собственными сырьем в таком объеме, чтобы доля биодизеля в общем потреблении топлива составляла 5,75%.

Напомним, что конкурентоспособность биодизеля зависит от цен на сырые растительные масла, а также от уровня налогов на минеральные топлива. В Германии затраты на производство 1 т биодизеля составляют порядка EUR 500-565/т, превышая тем самым почти в 2 раза затраты на добычу и очистку 1 т минерального топлива (EUR 200-250/т). Однако, налог на минеральное дизтопливо в Германии в 2002 г. составлял EUR 439,7/т, в 2003 г. – уже EUR 470,4/т. Налоги на минеральные топлива по ЕС различны: наименьший налог на дизтопливо в Люксембурге – EUR 253/т, а самый высокий в Великобритании – EUR 742/т.

Только государственная поддержка производства биодизеля, а также выгодное соотношение налогового обложения между биодизелем и обычным дизтопливом приводят к тому, что средняя цена биодизеля в Германии сегодня составляет EUR 0,73/л, что на EUR 0,07/л ниже цены минерального дизеля.

По сообщению немецкой газеты “Bild am Sonntag” (Берлин), правительство Германии планирует производить биотопливо на заводах по переработке рапса совсем без налогов, что позволит снизить себестоимость биотоплива в среднем на EUR 0,16/л. Так же сообщается, что промышленность, которая еще в прошлом году активно противилась переоборудованию своих мощностей под производство биодизеля, теперь готова адаптировать свои перерабатывающие и очищающие установки под выпуск биодизельных смесей. Так, глава представительства ВР (British Petroleum) в Германии заявил, что сегодня его организация стоит на пороге развития биодизельной промышленности и видит в этом бизнес-перспективу.

Литва

ЛУКОЙЛ намерен вложить $4 млн. в строительство завода по переработке рапса в Литве. Завод будет закупать 30 тыс. т рапса у литовских крестьян и получать 10 тыс. т топлива ежегодно. Жмых планируется продавать в Европу на корм животным по $200/т. Планируется, что завод заработает ровно через полгода. Упомянутое биотопливо будет продаваться в Литве, Латвии и Эстонии на бензоколонках ЛУКОЙЛа. Свой выбор Литвы в качестве производственной базы ЛУКОЙЛ объясняет климатическими факторами: в Литве урожайность рапса выше, чем в Латвии, а в Эстонии это растение не выращивается вообще.

Бразилия

Согласно данным Бразильской аграрной ассоциации (BAA), в стране начнется активное использование биотоплива. Это значительная технологическая победа, тем не менее, нуждающаяся в разработанной экономической базе. Сейчас активное обсуждение этого вопроса происходит в Министерстве энергетики Бразилии. Решение о добавлении в традиционное минеральное топливо 5% биодизеля означает ежегодный дополнительный спрос на 7 млн. т. сои, расширение посевов на 2,5 млн. га и перспективу 15%-ного увеличения производства маслосемян Бразилией.

Украина

Ежегодная потребность Украины в дизельном топливе составляет порядка 3 млн. т. При получении 600 л биодизеля с одного гектара рапса требуется засеять 5-5,5 млн. га посевных площадей (около 17% всех пахотных земель Украины) под технический рапс. Положительный пример развитых стран в производстве и использовании метиловых эфиров жирных кислот рапсового масла и необходимость поиска альтернативных видов топлива для Украины можно рассматривать как одно из перспективных направлений инвестирования в эффективное использование земельных ресурсов Украины. Отметим также, что 8-10% потребности Украины в рапсе можно покрыть за счет засева площадей Чернобыльской зоны, так как рапс относится к тем растениям, которые могут использоваться для рекультивации радиоактивно загрязненных земель: накапливаясь в стеблях, радионуклиды и тяжелые металлы практически не попадают в семена.

Биоэтанол

Процесс производства биоэтанола довольно прост: сахара (глюкоза, сахароза и некоторые другие) сбраживаются (ферментируются) в бескислородной среде спиртовыми дрожжами. Еще до недавнего времени почти весь этанол, полученный путем дрожжевого сбраживания сахаров, использовался для производства алкогольных напитков. Лишь незначительное его количество, полученное преимущественно химическим путем, использовалось в промышленности.

На сегодня весь топливный биоэтанол производится технологически – путем сбраживания (дрожжами) или сахаров (сахарный тростник), или крахмалосодержащего сырья (в основном кукуруза).

Биоэтанол может производиться из сахара, кукурузы или пшеницы. Во Франции для этого в основном используется пшеница, а в США и Китае – кукуруза. Однако, специалисты полагают, что для выработки биоэтанола все в большей степени будет использоваться сахар, так как в ближайшем будущем ожидается увеличение его поставок на мировой рынок, рост запасов и снижение мировых цен.

Чрезвычайно важным является положительный эффект использования биоэтанола в качестве топлива, т. к. выделяемый при его сжигании углекислый газ имеет первичное атмосферное происхождение. То есть его могут опять ассимилировать растения, которые в будущем станут источником получения топливного этанола.

Мировые лидеры по производству топливного этанола – Бразилия и США. В этих странах, и еще в Канаде, существуют государственные программы производства топливного биоэтанола. Подобную программу готовит и ЕС.

Бразилия

В 1999 г. в Бразилии производство топливного этанола обеспечило 13% общих потребностей страны в энергоресурсах и 19% – в жидком топливе, что позволило сэкономить $35,6 млрд., которые иначе пошли бы на закупку нефтепродуктов.

Раньше в Бразилии производили в основном безводный этанол, служивший топливом для автомобилей со специальными двигателями. Но в последнее время Бразилия использует в качестве топлива смеси, в которых содержимое этанола в бензине составляет 26% и в дизельном топливе – 3%. Такие смеси не требуют изменений в конструкции двигателей внутреннего сгорания и дизельных двигателей.

Полученный из сахарного тростника топливный биоэтанол полностью себя окупает. Ежегодно его производство в Бразилии, начиная с 1990-го, возрастало на 4%, а себестоимость снижалась на 3%. Причина – научно-технический прогресс отрасли: появились новые сорта и улучшились технологии культивирования сахарного тростника, экстракции сахара, ферментации и дистилляции.

США

США также являются крупным промышленным производителем топливного этанола. Благодаря его производству США ежегодно экономят $1,5 млрд. на импорте нефтепродуктов. В крупных городах США (с населением более 1 млн. чел.) в зимний период используют лишь бензин, содержащий 10% этанола, – так называемый бензин Е10. Объем продажи Е10 в США составляет 12% от общего объема продаж бензина.

Производство этанола из кукурузы, практикуемое в США, менее прибыльно, чем производство этого продукта из сахара или пшеницы. Однако, сегодня США, чтобы сделать топливный этанол дешевле бензина, предоставляют значительные налоговые льготы на его производство.

ЕС

Страны ЕС ежегодно производят 2 млрд. л этанола, но в качестве топлива используется сегодня менее 10%. Однако, ЕС принял законопроект, предусматривающий до 2010 г. добавление 5% этанола ко всем видам бензина.

Франция

Во Франции производятся биодизель (из рапсового масла) и биоэтанол (из сахарной свеклы и пшеницы). Две трети всего биоэтанола во Франции получают из сахарной свеклы и треть из пшеницы, однако, баланс производства, видимо, скоро изменится. Причиной тому является более высокая экономическая выгода при производстве биоэтанола из пшеницы, даже если учесть, что с одного гектара сахарной свеклы можно произвести 5,8 т. биоэтанола, а с 1 гектара пшеницы – 2,5 т.

В отличие от США и Швеции, где биоэтанол механически смешивается с бензином или дизтопливом, во Франции напрямую смешивать их запрещается (иначе по выхлопу будет нарушение директивы ЕС #70/CE от 1998 г.), смешивание происходит после химической обработки топлива на химическом уровне в соотношении 15% биоэтанола и 85% бензина.

Потребление биотоплива (биодизель и биоэтанол) пока составляет около 1% в суммарном потреблении топлива во Франции. Как и в Германии, во Франции превалирует использование дизтоплива (национальная марка Пежо-Ситроен полностью поддерживает данную пропорцию) – 63%, и лишь 37% – бензин. Сегодня в ЕС турбодизельные двигатели с прямым впрыскиванием топлива (инжектор) и с низким потреблением топлива активно вытесняют бензиновые двигатели.

В 2001 г. в EС был разработан план, согласно которому к 2020 г. доля биотоплива в общем объеме потребляемого топлива должна составить 20%. Наиболее перспективными биотпопливами были признаны биодизель и биоэтанол, на втором месте – природный газ, на третьем – водородное топливо.

Французское агентство по управлению внешней средой и энергией (ADEME) считает, что выполнение поставленных условий требует расширение к 2010 г. посевных площадей под промышленные масличные культуры с 300 тыс. га до 1,5 млн. га во Франции и до 8 млн. га в ЕС.

Перспективы биоэтанола.

В будущем биоэтанол будут смешивать с бензином прямым механическим способом, на манер того, как это сейчас происходит в Швеции. Также в перспективе снижение налогов на биоэтанол, увеличение разницы в ценах между минеральным топливом и биотопливом с целью повышения использования последнего.

В ближайшем будущем ожидается широкое использование биоэтанола в топливных батареях – от домашней электротехники и мобильных телефонов до двигателей грузовиков. В таких батареях биоэтанол будет использован как источник водорода для выработки электроэнергии.