Биобензин и биодизель из древесины

Мировая экономика продолжает в значительной степени зависеть от углеводородного топлива (56% потребляемой энергии приходится на нефть и газ¹). В то же время ясно обозначился глобальный тренд исчерпания легкодоступных запасов углеводородов, повышения стоимости освоения новых месторождений и, что еще более опасно, удельного увеличения энергозатрат на добычу².

Прогноз развития рынков органического топлива

Доля биотоплива и лесной биомассы в глобальном объеме
сжигаемых разных видов топлива

Ожидаемые объемы производства разных видов топлива из
биомассы, млн т в год

Массовым явлением стало значительное превышение реальных затрат нефтяных компаний на освоение новых месторождений над расчетными³. Производство биотоплива из сельскохозяйственных культур не оправдало возлагавшихся на него надежд в связи с дилеммой food vs. fuel (выращивание энергетических культур ведет к сокращению посевов продовольственных и росту цен на продукты питания). В развитых странах возникло протестное движение, направленное на запрет использования сельхозугодий для производства топлива в условиях истощения почв (ежегодно 12 млн га сельхозугодий приходят в негодность, что эквивалентно потере потенциального урожая в объеме 20 млн т зерна⁴) и нерешенной глобальной продовольственной проблемы (в мире голодают или недоедают почти 800 млн человек⁵).

В результате ограничений на использование сельскохозяйственного сырья объем инвестиций в индустрию биотоплива нестабилен (падение на 8% в 2014 году по сравнению с предыдущим годом при быстром росте в секторе ветро- и солнечной энергетики) и остается относительно небольшим ($5,1⁶ из $270⁷ млрд вложений в альтернативную энергетику в 2014 году). Производство биотоплива в мире (около 100 млн т⁸ ежегодно) меньше суммарного производства бензина и дизельного топлива в одной только России и может покрыть лишь 3,5% мирового спроса на нефтепродукты. Кроме того, наиболее крупнотоннажное на сегодня биотопливо - этиловый спирт - по целому ряду характеристик уступает традиционным видам горючего при использовании в двигателях внутреннего сгорания. У этилового спирта много недостатков: меньшая, чем у привычных видов топлива, энергетическая плотность; проблемы при пуске в мороз двигателя, работающего на спирте или бензине, смешанном со спиртом; повышенный риск коррозии топливной системы автомобиля; а также гигроскопичность, что создает угрозу поломки двигателя из-за попадания воды в камеру сгорания.

В связи с описанными проблемами идет активный поиск альтернативных источников биомассы и новых видов биотоплива.

Наиболее перспективными ресурсами считаются быстро размножающиеся микроводоросли, а также древесина, конечными продуктами - жидкие смеси углеводородов либо метиловых эфиров жирных кислот (FAME), близкие по свойствам традиционному бензину и дизельному топливу.

Основными преимуществами этих видов топлива над спиртами (метиловым, этиловым, бутиловым)являются отсутствие необходимости даже минимальных модификаций двигателей внутреннего сгорания при переходе с традиционного топлива на альтернативное, а также возможность использования существующей инфраструктуры - от нефтехимических заводов до автозаправочных станций.

Смесь легких углеводородов из древесины - биобензин

Сегодня в публикациях российских СМИ биобензином, как правило, называют смесь обычного бензина с этиловым спиртом. Такое топливо, активно внедряемое в США и Европе по экологическим соображениям, вызывает ряд нареканий у автомобилистов и пока не пользуется большой популярностью. За рубежом под биобензином (biogasoline) понимают аналог бензина (смесь углеводородов), полученный из растительной биомассы. Страны, богатые лесными ресурсами, но испытывающие нехватку нефтегазовых запасов, могут в будущем снизить свою зависимость от импорта энергоносителей за счет производства биобензина из древесины. Биобензин похож по составу на обычный бензин, отличаясь при этом в лучшую сторону большей полнотой сгорания и возможностью использования в двигателях с более высокой степенью сжатия, потому более мощных по сравнению с двигателями, рассчитанными на бензин с октановым числом 95 или 98. Для производства биобензина из древесины требуется использовать технологию, в результате которой происходит преобразование целлюлозы и лигнина, из которых большей частью состоят древесные волокна, в моносахариды, дисахариды, спирты и другие вещества с последующим проведением комплекса химических реакций для превращения этих веществ в легкие углеводороды, составляющие бензин. Основными задачами совершенствования существующей технологии являются удешевление разложения целлюлозы и лигнина, а также сокращение цепочки дорогостоящих химических преобразований продуктов распада целлюлозы и лигнина в углеводороды. Перспективными для решения обеих задач представляются биохимические (ферментативные) методы, которые потребуют создания новых штаммов микроорганизмов методами генной инженерии. Некоторые исследователи полагают, что в будущем массовое применение может найти технология прямого ферментативного преобразования этилового спирта в углеводороды.

Высокотехнологичный стартап Virent Energy Systems²⁴ (США, штат Висконсин), созданная в 2002 году, в 2010 году совместно с Royal Dutch Shell запустила опытно-промышленное производство бензина из водорастворимых сахаров минуя стадию спиртового сбраживания. Сырьем служат кукуруза, пшеница и другие сельхозкультуры с высоким содержанием крахмала^{25, 26}.

Следующими шагами в технологическом развитии этого направления должно стать снижение стоимости биобензина (до уровня конкурентоспособности с обычным бензином при цене нефти $60 за баррель), а затем - освоение производства биобензина из древесины.

Изобутен из древесины для биобензина с октановым числом 100

Изобутен (изобутилен) - изомер бутилена с общей химической формулой C₄H₈ - сегодня производится почти исключительно из углеводородного сырья. Мировой объем изготовления этого вещества составляет приблизительно 25 млн т в год. Половина этого объема используется для производства присадок к автомобильному топливу с целью повышения его октанового числа. Одной из таких присадок является изооктан - вещество, принятое в качестве эталона 100-балльной шкалы сопротивления топлива детонации (октановой шкалы), поэтому чистый изооктан может рассматриваться как бензин с октановым числом 100. Другие примеры применения изобутена - производство авиатоплива, бутиловой резины для покрышек, пластиков, красок, органического стекла.

Инновационная компания Global Bioenergies²⁷, расположенная во Франции, последние несколько лет активно разрабатывала технологию производства изобутена из органических остатков растений с использованием специальной генетически измененной культуры микроорганизмов. Процесс аналогичен дрожжевому сбраживанию сахаров, когда в результате питания микроорганизмов сахарами образуются этиловый спирт и углекислый газ. Отличие новой технологии заключается в том, что продукт метаболизма новой микрокультуры - газ изобутен - при образовании испаряется с поверхности питательного раствора. Этиловый спирт, накапливаясь по мере брожения в бродильном чане, при достижении определенной концентрации убивает дрожжи, и процесс брожения останавливается; аналогичные проблемы характерны для микрокультур, создаваемых методами метаболического инжиниринга для производства высокомолекулярных спиртов²⁸. В результате при изобутеновом брожении органики концентрация конечного продукта находится на постоянно низком уровне, так что процесс может идти непрерывно при условии своевременной подачи сырья в чан.

В мае 2015 года компания Global Bioenergies на своем экспериментальном заводе вблизи г. Реймс произвела в промышленном масштабе первую партию изобутена, полученного из органического сельскохозяйственного сырья. Из изобутена на нефтехимическом заводе в Германии был произведен изооктан, и это топливо - высококачественный заменитель обычного бензина - было протестировано компанией Audi²⁹.

Ведется работа по освоению методов использования древесной биомассы для производства изобутена. Этот процесс включает в себя предварительную ферментацию с целью разложения целлюлозы и лигнина на сахара, подверженные изобутеновому сбраживанию.

Ранее для разложения целлюлозы на сахара (для этанолового сбраживания) применялись методы гидролиза, связанные с варкой древесной биомассы в серной кислоте под давлением³⁰. Новая технология позволит получать высококачественное моторное топливо и ряд видов традиционной нефтехимической продукции за счет экологически чистой переработки древесной биомассы (в т. ч. древесных отходов) без использования опасных химических реагентов.

Биодизель из таллового масла и скипидара

Большие масштабы мировой целлюлозно-бумажной промышленности (до 200 млн т целлюлозы в год³¹) дают возможность получения суммарно до 15 млн т ценных побочных продуктов - скипидара и таллового масла. Первое из этих веществ может стать распространенной присадкой к традиционному дизельному топливу, а второе - сырьем для получения биодизеля - органического топлива, аналогичного по свойствам дизельной фракции нефти. Биодизель может использоваться в обычных дизельных двигателях, в том числе на автомобильном транспорте, и не требует переделки двигателя. Он отличается несколько более высоким, чем у обычного дизельного топлива, цетановым числом (58-60 против 50-55; это обеспечивает более плавное нарастание давления при горении топлива в камерах сгорания двигателя и снижает его износ) и значительно меньшим количеством вредных выбросов в атмосферу по сравнению с нефтяным дизельным топливом.

В зарубежных странах проведены опытные испытания работы различных дизельных двигателей на топливе, представляющем собой смесь 5-30% скипидара и 70-95% обычного дизельного топлива. Применение таких смесей на 10-45% снижает удельные выбросы сажи и наиболее токсичных вредных веществ, таких как несгоревшие углеводороды и оксиды азота^{32, 33}. Многочисленные примеры из практики³⁴ эксплуатации легковых автомобилей с дизельным двигателем также показали, что смесь растительного масла и скипидара в соотношении 80:20, изготовленная в бытовых условиях, может использоваться как заменитель традиционного дизельного топлива в большинстве автомобильных дизельных двигателей. При стоимости отработанного растительного масла около 0,25 евро за 1 кг³⁵, для многих автовладельцев такой вид топлива может стать реальной альтернативой покупке топлива на заправочных станциях. В ряде развитых стран (Германии, Японии и др.) формируется рынок отработанного растительного масла (WCO) и внедряются специальные меры государственной политики, направленные на стимулирование его сбора и сдачи населением³⁶.

Основным препятствием для расширения использования скипидара в топливных целях является его довольно высокая стоимость по сравнению с бензином. Развитие специализированных хвойных плантаций и улучшение технологий получения очищенного скипидара на целлюлозных комбинатах может решить эту проблему.

Талловое масло - перспективное сырье для производства биодизеля, альтернативное пальмовому маслу и разным растительным маслам, получаемым из сельскохозяйственных культур. Процесс производства биотоплива заключается в комплексном термическом и химическом воздействии на талловое масло для преобразования (этерификации) его компонентов в метиловые эфиры жирных кислот (FAME), входящие в состав биодизельного топлива. Не все компоненты таллового масла пригодны для такой реакции, поэтому только 40% массы таллового масла может быть преобразовано в биодизель. Поскольку стоимость таллового масла ниже стоимости большинства растительных масел, а процесс этерификации во многом схож для всех масел, то общая себестоимость биодизеля из таллового масла может быть существенно ниже, чем из растительного (по некоторым данным, она может не превышать $0,3 против $0,65 за 1 л³⁷).

Подготовил Илья КУЗЬМИНОВ,
ведущий эксперт Форсайт-центра Института статистических
исследований и экономики знаний (ИСИЭЗ) НИУ ВШЭ

¹ Key World Energy Statistics / IEA, 2015

² Если в середине XX века энергии одного барреля нефти хватало в среднем для добычи 50 баррелей, то к 2010 году это соотношение снизилось до 1:10 / Геологоразведка, добыча и переработка полезных ископаемых: перспективы научно-технологического развития. Аналитический доклад к заседанию Совета при Президенте Российской Федерации по модернизации экономики и инновационному развитию России / НИУ «Высшая школа экономики», МГУ им. М. В. Ломоносова. Москва, 2015

³ Глобальные нефтегазовые корпорации: современные вызовы и модернизация бизнес-модели / А. Березной / Lambert Academic Publishing, 2014

⁴ Desertification Land Degradation&Drought (DLDD) - Some Global Facts&Figures / UNCCD, 2014

⁵ The State of Food Insecurity in the World 2015 / FAO, 2015

⁶ Global trends in renewable energy investment, 2015 / Frankfurt School. FS-UNEP Collaborating Centre, 2015

⁷ Renewables Re-energized: Green Energy Investments Worldwide Surge 17% to $270 Billion in 2014

⁸ Renewable Energy. Medium-Term Market Report, 2014. Executive Summary / OECD-IEA, 2014

⁹ При консервативно оцененном среднегодовом темпе роста 4%, что ниже среднегодового темпа роста в последние годы, находящегося в диапазоне 5-6% / Renewables 2014 Global Status Report / Renewables Energy Policy Network for the 21-st Century

¹⁰ Production of cellulosic ethanol from wood sawdust / J. N. Nwakaire, S. L. Ezeoha, B. O. Ugwuishiwu / Agric Eng Int: CIGR Journal, vol.15, № 3

¹¹ Methanol from Biomass Fact Sheet / European Biofuels Technology Platform, 2015

¹² The developing DME market: What it means for LPG / LPGas, 2015

¹³ При умеренно оптимистично оцененном среднегодовом темпе роста 10,5-11% в год // http://www.reuters.com

¹⁴ При консервативно оцененном среднегодовом темпе роста 7%, что ниже среднегодового темпа роста в последние годы, находящегося в диапазоне 9-11% // http://www.ren21.net

¹⁵ http://www.upm.com, http://www.cleantechfinland.com/

¹⁶ Here is why Barents oil is becoming unprofitable / Barents Observer, 2014

¹⁷ Japan extracts gas from methane hydrate in world first / BBC, 2013

¹⁸ Fact Sheet: U.S. - China Joint Announcement on Climate Change and Clean Energy Cooperation

¹⁹ James Inhofe: Seven memorable lines from US's most famous (and most influential) climate change denier

²⁰ Stagnating liquid biofuel developments in Russia: Present status and future perspectives / A. O. Pristupa; A. P. J. Mol; P. J. M. Oosterveer // Energy Policy 38 (2010. - ISSN 0301-4215, Pages 3320 - 3328

²¹ Global Wood Pellet Consumption Outlook

²² The Russian Federation Forest Sector Outlook Study to 2030 / FAO, 2012

²³ Forest Plantations and Biodiversity: A Fresh Perspective / S. Stephens, M. Wanger / Journal of Forestry, 08/2007; 105(6), Pages 307-313

²⁴ Company Overview of Virent Energy Systems, Inc.

²⁵ http://advancedbiofuelsassociation.com

²⁶ http://www.biofuelsdigest.com

²⁷ http://www.global-bioenergies.com

²⁸ Advanced biofuel production by the yeast Saccharomyces cerevisiae / Nicolaas A Buijs1, Verena Siewers, Jens Nielsen / Current Opinion in Chemical Biology / Volume 17, Issue 3. June 2013. Р. 480-488

²⁹ http://www.audiusa.com

³⁰ Sulfite pretreatment (SPORL) for robust enzymatic saccharification of spruce and red pine / J. Y. Zhua, X. J. Panb, G. S. Wangc, R. Gleisnera / Bioresource Technology, Volume 100, Issue 8. April 2009. P. 2411-2418

³¹ http://www.forestindustries.se

³² Performance and exhaust emission of turpentine oil powered direct injection diesel engine / B. Prem Anand, C. G. Saravanan, C. Ananda Srinivasan / Renewable Energy, Volume 35, Issue 6. June 2010. P. 1179-1184

³³ Performance and emission characteristics of a turpentine - diesel dual fuel engine / R. Karthikeyana, N.V. Mahalakshmib / Energy, Volume 32, Issue 7. July 2007. P. 1202-1209

³⁴ http://beyondbiodiesel.org

³⁵ Economic analysis of a plant for biodiesel production from waste cooking oil via enzymatic transesterification using supercritical carbon dioxide / Pedro Lisboa, Ana Rita Rodrigues, José Luis Martín, Pedro Simões, Susana Barreiros, Alexandre Paiva / The Journal of Supercritical Fluids, Volume 85, January 2014. P. 31-40

³⁶ How to increase the recovery rate for waste cooking oil-to-biofuel conversion: A comparison of recycling modes in China and Japan / Huiming Zhanga,
U. Aytun Ozturka, Dequn Zhoub, Yueming Qiuc, Qing Wud / Ecological Indicators / Volume 51. April 2015. P. 146-150

³⁷ Methylation of wood fatty and resin acids for production of biodiesel, Ayhan Demirbas, Fuel 90 (2011), Pages 2273-2279