Нефти — капут! Да здравствует биоэтанол!

Начало XXI века многие специалисты характеризуют как окончание эры дешевой нефти. Сокращение запасов нефти, пригодной для производства современных моторных топлив из-за уменьшения содержания водорода в ней, находит отражение в наблюдающейся тенденции её подорожания. Всего в мире с учетом разведанных запасов осталось 1047 млрд баррелей нефти, которых хватит на 41 год. По мнению специалистов, в связи с принятием в 2005 году Киотского протокола в ближайшее время произойдет постепенный переход от использования в качестве топлива производных нефти к экологически чистым видам топлива, вырабатываемым из отходов лесопиления и других органических веществ.

Одним из основных направлений развития топливно-энергетического комплекса становится уменьшение его зависимости от нефти путем сокращения объемов потребления нефтяных видов топлива за счет использования альтернативных источников сырья.

Вклад альтернативных источников в мировое производство энергии в настоящее время составляет более 2 %. Лидером в этой области является гидро­электроэнергетика, которая активно развивалась в начале XX века, пока ей на смену не пришла атомная энергия. Второе место среди альтернативных источников энергии занимает энергия, вырабатываемая из биомассы, а также полученная в результате функционирования ветровых установок. Вклад остальных видов альтернативных источников энергии — солнечных, геотермальных и водородных электростанций — пока очень мал по причине высокой их стоимости.

Основных потребителей энергии можно распределить следующим способом:

Основными потребителями углеводородного сырья являются коммунальный и промышленный сектор, что и неудивительно с учетом урбанизации городов и наращивания промышленного производства. Однако ожидать прорыва в производстве энергии для этих секторов в ближайшее время не приходится. А вот изменить ситуацию в транспортном секторе можно уже сейчас.

Экологическая проблема является сейчас одной из самых обсуждаемых тем в мире. Увеличение промышленного производства и транспортного комплекса наносит непоправимый ущерб природе. Выбросы экологически опасных веществ приводят к необратимым изменениям в природе, которые мы можем наблюдать уже сейчас. Ежегодно эмиссия СО в атмосферу составляет 20 млрд тонн. Прогнозируется, что выбросы углекислого газа к 2010 году увеличатся в 1,5 раза, если сейчас не начать поиски более экологически чистого «альтернативного» топлива.

«Альтернативные» виды топлива включают в себя вещества, которые могут быть использованы в двигателях внутреннего сгорания или в энергетических установках вместо топлива нефтяного происхождения. Пока использование альтернативных горючих веществ, таких как метан, пропан-бутановая фракция, водород, метанол, спирты и эфиры, в качестве топлива ограничено, но в отсутствие нефти они способны заменить традиционные бензин и дизельное топливо. К тому же успехи, достигнутые в разработке альтернативных видов топлива, показывают, что их применение становится более экологически безопасным, поскольку они обеспечивают более «чистый» выхлоп, а основная концепция энергетики будущего — совместимость с окружающей средой.

В последние годы внимание исследователей всего мира приковано к спиртовым видам топлива, преимуществам и недостаткам их использования в двигателях внутреннего сгорания. Наибольшее распространение получили низшие алифатические спирты: метанол и этанол. Высшие спирты могут использоваться в качестве стабилизирующих добавок. В настоящее время для производства метанола применяют синтез-газ, этанол получают прямой гидратацией этилена, но в последние годы все большее количество этанола производится из возобновляемого сырья — растительной биомассы.

Биомасса бывает двух видов: первичная и вторичная. Первичная биомасса — это растения, водоросли, вторичная — отходы пищевой, деревоперерабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности, полеводства (солома, сено), животноводства, твердые бытовые отходы и другое. Ежегодно в мире вырастает и накап­ливается в виде отходов 117 млрд тонн биомассы ~ 1,75×1021 Дж. Из нее можно выработать энергии в 8 раз больше, чем на основе всего ископаемого сырья, добываемого за год.

Есть два основных понятия топливного этанола:

Таблица. Выход продуктов с тонны сырья (сухой помол)

С энергетической точки зрения преимущества спиртов заключаются, главным образом, в их высокой детонационной стойкости, что определяет преимущественное использование спиртов в двигателях внутреннего сгорания с принудительным (искровым) зажиганием. Более полное сгорание спиртового топлива, меньшая температура отработавших газов, интенсивный теплоотвод, а также возможность увеличения степени сжатия делают КПД двигателя, работающего на спиртах, выше, чем при работе на традиционном нефтяном топливе. Спирты являются более экологически чистыми видами топлива, поскольку при их использовании увеличивается полнота сгорания топлива, снижается эмиссия СО и углеводородов, а также уменьшается сажеобразование.

Растущий интерес к этанолу обусловлен возможностью его производства из возобновляемого растительного сырья. Ежегодный объем органических отходов (биомассы) в СНГ составляет 500 млн тонн. Их переработка потенциально позволяет получить до 150 млн тонн условного топлива в год: 100−110 млн тонн — за счет производства биогаза (120 млрд м ), 30−40 млн тонн — этанола.

Выход биоэтанола из биомассы варьируется за счет содержания в ней крахмала.

Переработка биомассы в этиловый спирт является одним из наиболее эффективных способов её использования. Основное преимущество растительного сырья состоит в том, что для его переработки используются экологически чистые технологии. Отходы и побочные продукты переработки биосырья также могут быть подвергнуты биологической конверсии, что позволяет создавать практически безотходные технологии.

Основной сферой применения спирта (80 %) в настоящее время является его использование в качестве топлива. 12 % используется для технических нужд (в основном химическая промышленность), и только 8 % применяют для пищевых нужд.

Основным производителем этилового спирта в мире является Бразилия. В этой стране весь этанол, а это 12 млрд литров в год, то есть 57 % мирового объема производства, получают из сахарного тростника. В США, которые занимают второе место по объему производства этанола, вырабатывается 7,5 млрд литров спирта в год, в Азии — 6 млрд литров в год, в Европе — 4 млрд литров в год.

За рубежом в карбюраторных двигателях практическое применение нашли смеси 10−20 % этанола с нефтяными бензинами, получившие название «газохол». Согласно стандарту ASTM, разработанному национальной комиссией по спиртовым топливам США, газохол с 10 % этанола характеризуется следующими показателями: плотность — 730−760 кг / м , температурные пределы выкипания — от 25 до 210°С, теплота сгорания — 41,9 МДж / кг, теплота испарения — 465 кДж / кг, давление насыщенных паров (38°С) — 55−110 кПа, вязкость (-40°С) — 0,6 мм² / с. По большинству показателей газохол отвечает требованиям, предъявляемым к автомобильным бензинам.

По результатам испытания бензинов, содержащих 5−10 % этанола, проведенных в ВНИИ НП, такие топливные смеси были допущены к применению в России. В Бразилии с 1930 года используются топливные смеси, содержащие 2−8 % этанола. Около четверти современного автомобильного парка этой страны работает на спиртосодержащем топливе, которое также называется газохолом и представляет собой бензин с добавкой 20% этанола. В Швеции и Финляндии эксплуатируется бензин марки Е85, в состав которого входит 85 % этанола.

Ежегодно вклад топливного этанола в экономику США составляет дополнительные 25 млрд долларов к ВВП страны. Также было создано 147 тыс. рабочих мест, произошло увеличение доходов фермеров на 4,4 млрд долларов, а это дополнительные 1,3 млрд долларов федеральных и 1,2 млрд долларов налогов. Добавление 5−10 % спирта в бензин снижает стоимость конечного на 7−10 центов. Использования этанола в бензиновых смесях в США помогло снизить выбросы СО на 7 млн тонн, что равно годовому выхлопу 1 млн автомобилей, и это только при 3 % замены бензина на данную смесь.

Программы перехода на биотопливо разрабатываются уже сейчас во многих странах мира. В Европе приняты законы о доведении доли топлива, произведенного с использованием возобновляемых источников сырья, до 2 % к 2005 му и до 5,75 % к 2010 году. В семи странах биоэтанол не облагается налогами частично или полностью (в том числе во Франции, Германии, Великобритании, Испании, Швейцарии).

Россия обладает огромными перспективами в области производства биотоплива. Производство биоэтанола даст дополнительный прирост ВВП, позволит создать новые рабочие места, особенно в сельских регионах. Рост доходов у фермеров позволит оживить местную экономику и увеличить федеральные и местные налоги. На данный момент в России отсутствует программа по биотопливу. Предприятие, изготавливающее спирт для последующей его переработки в водку, имеет абсолютно те же условия работы, что и предприятие, производящее спирт для использования его в качестве добавки к бензину.

В. Ф. ТРЕТЬЯКОВ, М. Н. МИХАЙЛОВ, В. В. ЯРЕМЧУК,
Институт нефтехимического синтеза им. А. В. Топчиева РАН