Пеллеты и автомобиль – встреча неизбежна
В статье проведен анализ степени антропогенного воздействия автомобильного транспорта на окружающую среду и обоснована целесообразность использования биомассы в качестве автомобильного топлива. Также проведен анализ экономической и экологической эффективности использования в автомобильном транспорте топлива на основе биомассы, в частности древесных пеллет, как альтернативы топливу нефтяного происхождения.
Предыстория вопроса
А) Антропогенное воздействие промышленной деятельности человека на природу.
До начала ХХ века то, что называется «альтернативной» энергетикой сейчас, было «безальтернативной» энергетикой в прошлом: человек жил в гармонии с природой, и его деятельность не разрушала биосферу. В течение прошлого века человечество израсходовало столько невозобновляемых природных ресурсов, сколько все предыдущие поколения, вместе взятые. По данным специалистов, в процессе сгорания различных видов топлива в мире расходуется 14 млрд тонн кислорода. Это составляет 12% от общего количества кислорода, который ежегодно образуется в биосфере. На протяжении последних 20 лет три четверти антропогенных выбросов углекислого газа СО были обусловлены сжиганием ископаемого топлива. Еще одна четверть выбросов была связана с промышленными процессами, изменениями землепользования и сокращением площади лесов.
Океан и растительная масса континентов сегодня поглощают лишь половину антропогенного углекислого газа. В результате концентрация СО в наши дни выше, чем в любой другой период за последние 20 млн лет. С 1850 по 2006 год в атмосферу в результате сжигания ископаемых видов топлива и промышленных выбросов было выделено приблизительно 300 млрд тонн углерода. Дополнительно 140 млрд тонн углерода было выброшено в атмосферу в результате изменений в землепользовании (преимущественно лесными экосистемами). Таким образом, всего в атмосферу поступило 440 млрд тонн углерода. При этом только 250 млрд тонн углерода сумели поглотить океан и лесные массивы планеты. Оставшиеся 43% от указанного выше объема задержались в атмосфере. Это привело к увеличению содержания в атмосфере углекислого газа на 190 млрд тонн, что и явилось первопричиной возникновения парникового эффекта на планете. Современные темпы вырубки леса в 10 раз превышают возможные объемы его воспроизводства. Лесные ресурсы исчезают со скоростью порядка 16 млн га в год. Но, несмотря на это, фотосинтезирующий «зеленый пояс» суши и карбонатная система океанов по-прежнему эффективно удаляют CO из атмосферы. Теоретически, при прекращении дополнительной эмиссии CO в атмосферу, лесные массивы могли бы поглотить избыток атмосферного CO за 10−20 лет.
Отечественный вклад в стабилизацию экологической обстановки на планете мог бы стать более весомым, если бы со стороны государственных органов власти была поддержка внедрению энергоэффективных технологий, повышению эффективности использования лесного фонда и его восстановлению, а также широкому применению возобновляемых источников энергии. Наиболее перспективным СО-нейтральным источником энергии является биомасса растений. Присвоение ей статуса энергоносителя создало бы все предпосылки для организации в обезлесенных районах России так называемых энергетических плантаций.
Усилиями генной инженерии и селекционеров в технологии ускоренного выращивания древесины для энергетических и сырьевых целей достигнуты значительные успехи. Так, например, средняя продуктивность сосны в Бразилии сегодня составляет 28,5 м3 с 1 га в год, эвкалипта − 119 м3. Для сравнения: интенсивность роста древесины в российских лесах составляет от 1,5 м3 с га в год для хвойных и до 2,5−3,0 м3 для лиственных пород.
Развитие плантаций ускоренного роста древесины позволит в стратегическом плане решить проблемы устойчивого лесопользования и обеспечить промышленность биотопливом на длительную перспективу. В случае полного освоения существующих лесных фондов России потенциальные возможности дополнительного ежегодного депонирования углерода огромны. Общая площадь земель, пригодных для лесовосстановления и лесоразведения, составляет около 100 млн га. В том числе в лесном фонде эта площадь составляет до 80 млн га (не покрытые лесом и нелесные земли), в сельском хозяйстве − порядка 20 млн га (фонды защитного лесоразведения, облесения деградированных земель и биологической рекультивации).
Кроме того, развитие рынка топливной биомассы в России позволит сократить потребление на внутреннем рынке интенсивно дорожающих нефтепроизводных видов топлива и, соответственно, увеличить их экспорт.
Все вышеизложенное наглядно иллюстрирует насущную необходимость изыскания принципиально новых, альтернативных, экологически безопасных видов топлива, а также технологий их использования. Эти задачи можно решить за счет повышения потенциала использования возобновляемых источников энергии, таких как биомасса. Получение энергии из биомассы является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей во многих странах мира. Этому способствуют ее большой энергетический потенциал, возобновляемость, экобезопасность и доступность в промышленных объемах.
Россия обладает самыми большими в мире потенциальными возможностями в этом направлении. Отечественные запасы сырья для производства биотоплива огромны. Биомасса, пригодная для энергетического использования, включает: до 800 млн тонн/год отходов древесины, 250 млн тонн/год сельскохозяйственных отходов, 70 млн тонн/год лесосечных отходов. К тому же сегодня уже стало очевидным, что в лесохозяйственном секторе экономики продажа продуктов переработки древесины приносит намного большую прибыль, нежели просто поставки кругляка за рубеж. Следовательно, можно предположить, что в ближайшем будущем Россия станет одним из крупнейших поставщиков продукции переработки древесины на мировой рынок. Это повлечет за собой резкое увеличение количества производимых древесных отходов − тех же опилок, стружки и т.п. И вопрос утилизации этих отходов станет неимоверно остро.
Б) Анализ существующих объектов хозяйственной деятельности человечества и выделение тех из них, которые наиболее пагубно воздействуют на природу.
На пути широкого внедрения технологий производства и силового использования топливной биомассы в отечественной лесоперерабатывающей промышленности стоят три основных барьера: дефицит знаний и опыта, законодательная база и традиции. Для преодоления этих барьеров прежде всего следует определить, какое из направлений промышленной деятельности человека приносит наибольший вред экологии.
Промышленные предприятия, особенно металлургические, химические и нефтехимические, по производству строительных материалов и электростанции, − это всеми признанные крупные загрязнители окружающей среды. А вот автотранспорт, факт загрязнения окружающей среды которым широко известен, к источникам загрязнения вроде и не относится. Мнение, что автомобиль − суперзагрязнитель окружающей среды, а автомобильная индустрия − всемирная экологическая угроза человечеству, часто воспринимается с недоверием. Загрязнение окружающей среды, вызванное работой агрегатов автомобиля, имеет три основных источника: выхлопная система двигателя, система смазки и вентиляции и система подачи топлива. Наибольший вред экологии наносят выхлопные газы. Лабораторные анализы свидетельствуют, что в состав выхлопных газов входит более 200 высокотоксичных компонентов.
Понятно, что отдельно взятый автомобиль большой беды для окружающей среды не несет, но вот автомобильный комплекс в целом таит в себе скрытую угрозу. Особенно в свете стремительно увеличивающегося мирового парка автомобилей, который, по прогнозам, к 2010 году вырастет в 3 раза и составит не менее 900 млн единиц. Уповать на повышение топливной экономичности автомобиля как на панацею от причиняемого им экологического вреда, по крайней мере, наивно. Ежегодно автомобильный комплекс выбрасывает в атмосферу 400 млн тонн углекислого газа, 100 млн тонн углеводородов, 2 млн тонн угарного газа, сотни тысяч тонн свинца и множество других высокотоксичных веществ. Сюда же справедливо отнести не только ежегодно увеличивающиеся выбросы нефтеперерабатывающих заводов, объем которых сегодня равен 350 млн тонн токсичных отходов в год, но и катастрофический урон, наносимый нефтедобывающими, нефтетранспортными и нефтеперерабатывающими предприятиями окружающей среде.
В 1998 году выбросы загрязняющих веществ в атмосферу всеми транспортными средствами только в России составили 13,2 млн тонн. При этом выбросов автомобильного транспорта было более 11,8 млн тонн.
Не следует также забывать, что автомобили сжигают огромное количество кислорода. Например, легковой автомобиль «Волга» забирает из воздуха кислорода в 100 раз больше, а грузовик ЗИЛ-130 и в 200 раз больше, чем его необходимо для дыхания человека. Сегодня в городах с большими транспортными потоками в час пик кислорода в воздухе содержится не 21%, а 15−17%.
Рост мирового парка автомобилей до 900 млн единиц может значительно увеличить потребление кислорода. Согласно проведенным российскими учеными исследованиям, в США автомобильный комплекс потребляет в два раза больше кислорода, чем его вырабатывает растительность на территории страны. Следует также отметить, что, даже не учитывая парниковый эффект, масштабы потребления кислорода из атмосферного воздуха глобальной проблемой. Содержание и восполнение количества кислорода в приземной области зависит от регенеративных возможностей биомассы, которая функционирует на суше и в море. Объем биомассы на суше зависит от площади плодородных почв и, как упоминалось выше, от хозяйственной деятельности человека.
Автомобильный комплекс косвенно способствует интенсивному загрязнению мирового океана и изъятию его биомассы из процесса активного восстановления кислорода. Причина этого состоит в том, что массовое потребление нефти вызывает необходимость транспортировки ее морем на значительные расстояния. Аварии морских суден, неполадки мореходных систем и оборудования, а также недостаточный учет экологических факторов при организации транспортных морских перевозок приводят к серьезному загрязнению мирового океана. А для того, чтобы представить последствия аварии нефтевозного танкера в открытом море, достаточно сказать, что 1 тонна нефти может загрязнить 12 км2 морской поверхности. Образование нефтяной пленки на поверхности мирового океана нарушает глобальные химико-биологические процессы, происходящие между составляющими атмосферы, гидросферы и литосферы.
Основная масса (около 80%) вредных веществ выбрасывается автотранспортом на территории населенных пунктов. Более чем в 180 городах уровень загрязнения атмосферного воздуха (от всех источников) превышает предельно допустимые концентрации более чем в 10 раз. Это приводит к повышенной заболеваемости и ухудшению состояния здоровья городского населения в целом.
Такое влияние автомобиля на окружающую среду порождает необходимость разработки универсальных методов регулирования численности автотранспорта, а также новых экологически безопасных видов топлива и топливных систем. Вопросы экологической безопасности транспортных средств сегодня являются наиболее приоритетными для автомобилестроения. Однако предпринимаемые мероприятия по ужесточению экологических требований к транспорту на фоне интенсивного роста его количества не дают ощутимых результатов. Очевидно, что решение этой проблемы возможно только путем изыскания кардинально новых идей и технологий.
Наиболее многообещающим в этом направлении выглядит использование биомассы в качестве моторного топлива. Тем более что силовую биомассу могут производить практически все страны мира. По сути, биомасса − идеальный вид топлива как для легковых автомобилей, так и для сельхозтехники, лесозаготовителей, фермеров и т.п.
В) Обзор современных биотехнологий, способных в ближайшем будущем заметно сократить использование топлива нефтяного происхождения.
В начале ХХ века бензин долгое время соревновался со спиртом и дровами в борьбе за право быть основным видом топлива у автомобилистов. Лишь в конце 1930-х годов нефтяное топливо приобрело доминирующую роль. Причина экономической рентабельности топлива нефтяного происхождения в прошлом веке лежала в ошибке, заложенной в основах экономической теории. Экономическая наука, обосновывая экономический рост, косвенно подразумевает неисчерпаемость многих видов природных ресурсов. При этом сознательно сужается расход тех ресурсов, которые используются в производстве, с целью минимизации издержек. Выход из создавшегося положения состоит в пересмотре парадигмы экономической теории: включении в себестоимость продукта затрат на экологические мероприятия, препятствующие нанесению данной технологией урона окружающей среде. В этом случае стоимость топлива нефтяного происхождения будет на 2 порядка выше стоимости любого вида биотоплива. Исходя именно из этих соображений, первые автомобильные двигатели и автомобили были рассчитаны их изобретателями для работы на биотопливе.
Огромным преимуществом биотопливных энергоресурсов является то, что они широко распространены. Следовательно, финансовые потоки, связанные с производством и использованием таких энергоресурсов, целиком замыкаются в пределах региона.
Опыт Дании середины прошлого века показал, что ни в коем случае нельзя развивать биоэнергетику только за счет биомассы леса. Запас выращиваемой для топливных целей биомассы должен в среднем в 2−2,2 раза превосходить ее расход. Сегодня разведение для энергетических целей плантаций быстрорастущих пород деревьев, таких как тополь, ива, эвкалипт, уже широко распространено в Китае, США и Европе.
Очевидно, что вопрос о том, какой источник энергии в ближайшем будущем выступит альтернативой нефтепроизводным видам топлива, практически решен. Но вот вопрос, в каком виде он будет использоваться, остается открытым.
На сегодняшний день существуют два направления силового и энергетического использования биомассы: первый − это переработка биомассы в жидкое топливо, второй − использование биомассы в твердом состоянии в виде опилок, щепы, чурок, древесных топливных брикетов или гранул. Рассмотрим более подробно каждое из направлений.
Жидкое моторное топливо из биомассы
Получение жидкого моторного топлива из биомассы благодаря мощной инвестиционной поддержке крупных нефтяных концернов получило сегодня широкое распространение. Однако попытки заменить бензин жидким топливом, произведенным из сельскохозяйственных растений или пищевых отходов, могут не увенчаться успехом. Корнельский университет и Университет Беркли (США) опубликовали результаты совместного исследования, которое показало, что для производства экологически чистого автомобильного топлива требуется больше энергии, чем можно получить в результате его использования. Так, например, производство этилового спирта из кукурузы требует на 27% больше энергии, чем ее вырабатывается при сжигании спирта в автомобильном двигателе (при подсчете учитывались затраты энергии на сельскохозяйственные работы, производство удобрений и пестицидов, транспортировку, переработку и пр.). Производство спирта из древесины еще более убыточно − минус 57%. Биодизельное топливо также неэффективно. Для его производства из бобов сои требуется затратить на 27% больше энергии, чем можно потом получить. Энергоемкость подсолнечника еще ниже − минус 118%. Кроме того, это направление характеризуется рядом недостатков. Метанол, получаемый из биомассы, является сильным ядом и взрывоопасен. Его промышленное получение слишком энергоемко и экологически крайне опасно. При использовании метанола в смеси с каким-либо топливом нефтяного происхождения в количестве от 2 до 30% не требуется никакой модернизации двигателей, но при использовании его в количестве 30−100% уже необходима незначительная модернизация мотора. Единственное преимущество жидкого биотоплива, например, перед древесными гранулами состоит в том, что для его хранения и заправки можно использовать ныне существующую систему АЗС, а для производства − существующие нефтеперерабатывающие предприятия. Этим и объясняется интерес к данной технологии нефтяных концернов.
Твердое моторное топливо из биомассы
Использование для силовых и энергетических целей биомассы в виде прессованных древесных брикетов или гранул имеет несколько неоспоримых преимуществ. Во-первых, относительная простота процесса изготовления и, как следствие, невысокая цена твердотопливной биомассы. Во-вторых, большая, по сравнению с первым направлением, экологическая безопасность и простота утилизации. Намоченные древесные гранулы быстро разлагаются в опилки, которые могут быть дальше использованы как удобрение в сельском хозяйстве. В-третьих, газогенераторные установки, бытовые и промышленные печи для силового или энергетического использования такой биомассы просты в обслуживании, недороги в изготовлении, экологически безопасны и имеют высокий (85−95%) КПД. В-четвертых, использование газогенераторных установок на твердом биотопливе не требует внесения изменений в существующие конструкции двигателей.
В следующем номере журнала мы подробно остановимся на новом направлении использования древесных гранул, или, как их еще называют, пеллет, − в качестве топлива для транспортных средств. Рассмотрим пути адаптации эксплуатационных свойств топливных гранул для новой области использования при помощи комплекса технологических и агротехнических мероприятий. А также расскажем читателям о наиболее перспективных конструкторско-рационализаторских работах, связанных с транспортными газогенераторами и системами подачи топлива к ним.
Автор выражает благодарность Екатерине Волкович за предоставленные иллюстрации.
Задать свои вопросы автору вы можете по e-mail: gasgen@gmail.com
А. А. САМЫЛИН
Пеллеты и автомобиль: встреча неизбежна! Часть 2
