Углеводородные ресурсы Земли исчерпаемы, это ясно всем. То, что они закончатся ещё не скоро, не снимает ответственности с учёных, которые осознают необходимость поиска новых решений. Современное альтернативное топливо изготавливается из отходов переработки сырья животного и растительного происхождения, из сельскохозяйственных культур, из морских водорослей. Проектов новых видов биотоплива довольно много, они находятся в разной степени готовности. Некоторые из них весьма неоднозначны и спорны, особенно с точки зрения экологии. Сегодня мы расскажем читателям «ЛГ» о самых интересных разработках в этой области.
Вначале были дрова и уголь
Самым первым видом биотоплива были обыкновенные дрова, вернее, сухие палки и сучья, обычный хворост, которые первобытные люди, научившиеся разводить и поддерживать огонь, использовали, чтобы согреть жилища и приготовить пищу.
Чуть позже древние люди открыли для себя древесный уголь. Древесный уголь – это нелетучая часть продуктов термического распада древесины. Исторически древесный уголь – один из самых первых видов топлива (и безусловно – био), целенаправленно изготавливавшихся людьми. Особенность древесного угля, несвойственная никакому другому топливу, это отсутствие в продуктах горения угарного газа. Поэтому древесный уголь начали вначале собирать на пожарищах, а потом и самостоятельно приготавливать и запасать ещё пещерные люди. Примитивные способы приготовления угля, состоящие в разогреве по-особому сложенных дров, накрытых дёрном, за счёт сжигания части дров в разных вариантах просуществовали до конца XIX века. Это не самая эффективная технология. Но так изготавливают древесный уголь до сих пор в странах Африки и Латинской Америки. Европейцы эту кустарную технологию модернизировали путём замены дёрна на металл или кирпич. Простейшие аппараты для приготовления древесного угля доступны и в нашей стране. Общие их недостатки – выброс ядовитых паров и газов в окружающую среду, низкий выход товарного продукта и неэффективное использование объёма аппарата.
Современное высокотехнологичное углевыжигательное оборудование исключает загрязнение окружающей среды. Современные технологии позволяют получать уголь с разной степенью прокалки – более богатый летучими веществами для быта и более прокалённый для промышленности. Прочность угля зависит не только от технологии изготовления, но и от породы. Из твердолиственных пород древесины уголь получается более прочный, чем из других. Существуют особые виды угля. Из очень плотного «каменного» дуба изготавливают т.н. белый уголь, особо ценимый в Восточной Азии. Сравнительно недавно освоено производство угля из экструдерных опилочных брикетов. В Азии и Южной Европе его предпочитают обычному углю.
К первому поколению современных технологий по производству биотоплива относится и переработка сельскохозяйственных культур, содержащих большое количество крахмала, сахаров (перерабатываются на этанол) и жиров (они отлично подходят для переработки в биодизель).
Во втором поколении биотопливных технологий начали использовать травы, древесину и остатки культивируемых растений.
Ещё одно направление – производство биотоплива из переработанных морских водорослей. Главные достоинства – это отсутствие необходимости в земельных ресурсах, большая скорость изготовления и высокая концентрация биомассы.
Выделяют три вида биологического топлива: жидкое, газообразное и твёрдое. Первый – это спирты, биомазут, биодизель, эфиры. Второй – газовые смеси с водородом, метаном, угарным газом, которые образуются при термическом разложении. Третий – это отходы деревообработки и дрова.
В основе технологии производства топливных гранул, как и топливных брикетов, лежит процесс прессования измельчённых отходов древесины, соломы, лузги и т.д.
Сырьё поступает в дробилку, где измельчается до состояния муки. Полученная масса поступает в сушилку, из неё – в пресс-гранулятор, где древесную муку прессуют в гранулы. Сжатие во время прессовки повышает температуру материала, лигнин, содержащийся в древесине, размягчается и склеивает частицы в плотные цилиндрики.
На производство одной тонны гранул уходит от 3 до 5 кубометров древесных отходов. Готовые гранулы охлаждают, пакуют в большие по нескольку тонн мешки или мелкую упаковку. Различают промышленные (доставляются насыпью без упаковки или в огромных мешках – биг-бэгах) и потребительские гранулы (в мелкой расфасовке, ориентированные на частных и небольших промышленных потребителей).
По заветам предков
Сухая перегонка или пиролиз (разложение при нагревании до 450 градусов без доступа воздуха) древесины – один из первых процессов химической технологии. Начиная с XII века её широко использовали на Руси для выработки сосновой смолы для просмолки деревянных судов и пропитки канатов; этот промысел носил название смолокурение. С развитием металлургии возник другой промысел, также основанный на сухой перегонке древесины, – углежжение с получением древесного угля. Начало промышленного применения пиролиза древесины относится к XIX веку; сырьём являлась только древесина лиственных пород, главным продуктом – уксусная кислота.
Для изготовления древесного угля в настоящее время обычно применяют древесину лиственных пород (например, берёзы), реже (главным образом при комплексной переработке сырья) – древесину хвойных пород.
Горючее из птичьего помёта
Биогаз образуется с помощью бактерий в процессе разложения органического материала при анаэробных (без доступа воздуха) условиях и представляет собой смесь метана и других газов. Теплотворная способность одного кубометра биогаза эквивалентна сгоранию 0,6–0,8 литра бензина, 1,3–1,7 кг дров или использованию 5–7 кВт электроэнергии.
Технология производства биогаза проста. Биомасса (птичий помёт, бытовые отходы или зелёная масса) периодически подаётся с помощью насосной станции или загрузчика в реактор. Реактор представляет собой подогреваемый и утеплённый резервуар, оборудованный миксерами. В реакторе живут полезные бактерии, питающиеся биомассой, которые и выделяют биогаз. Для поддержания жизни бактерий требуется подача корма, подогрев до 35–38°С и периодическое перемешивание. Образующийся биогаз скапливается в хранилище (газгольдере), затем проходит систему очистки и подаётся к потребителям (котёл или электрогенератор). Реактор работает без доступа воздуха, герметичен и неопасен.
Дорогое удовольствие в малых дозах
В основе технологии получения биодизельного топлива лежит реакция переэтерификации любого растительного масла или животного жира в присутствии катализатора в метиловые эфиры жирных кислот. В качестве сырья используют масла рапса и ряда других культур. Себестоимость биодизельного топлива заведомо выше, чем аналогичных нефтепродуктов, но в регионах с тёплым климатом, обеспечивающим успешное выращивание масличных культур и не имеющих своего минерального сырья, такое производство может существовать и занимать ограниченный сектор рынка.
Быстрый пиролиз позволяет превратить биомассу в жидкость, которую легче и дешевле транспортировать, хранить и использовать. Из жидкости можно произвести автомобильное топливо или топливо для электростанций. Из биодизельных топлив второго поколения, продающихся на рынке, наиболее известны BioOil производства канадской компании Dynamotive и SunDiesel германской компании CHOREN Industries GmbH. Однако пока эти проекты оказались финансово неустойчивыми.
Ряд специалистов считает, что смеси фирмы Dynamotive никак не могут рассматриваться как дизельное топливо. Их высокая кислотность и содержание тяжёлых смол приводят к быстрому разрушению двигателей. Фирма SunDiesel (Германия) предпринимает попытки изготавливать дизельное топливо из растительных материалов через синтез Фишера–Тропша. Технически это осуществимо, но экономически не может конкурировать с минеральными аналогами.
Большие биогонки
В последние несколько лет широко обсуждается тема использования морских водорослей для переработки в биотопливо для автомобилей, альтернативного тому, что мы привыкли заливать в бензобак.
Определённые виды водорослей имеют способность преобразовывать двуокись углерода в углеводы, масла и другие клеточные компоненты, используя процесс фотосинтеза. В отличие от сои или кукурузы, водоросли необычайно плодовиты; их можно выращивать где угодно, как в солёной, так и в пресной воде. Кроме того, такого понятия, как «сезон сбора урожая» просто нет – водоросли можно выращивать круглый год.
Неудивительно, что представители корпорации Ford посетили лабораторию биотоплива университета Уэйна (Wayne State University), которая занята выведением оптимальных сортов зелёных водорослей, используемых в качестве сырья для производства биодизеля. А сами исследователи Ford Motor Co. сейчас рассматривают несколько альтернативных видов топлива, таких как этиловый и бутиловый спирт.
По словам самих исследователей, конкретная производственная, технологическая и финансовая модель получения биотоплива ещё не создана.
Американские учёные исследуют особенности использования биодизельного топлива в автомобильных двигателях. Биодизель можно заливать в бак традиционного дизельного автомобиля, и мотор его «переварит». Машина поедет так же, как и на обычном дизеле. Однако недостатки у дизеля с приставкой «био» есть, и немалые: высокий уровень выбросов окиси азота и больший – на 20% – расход топлива. Повышенный выход оксида азота связан с тем, что в составе биодизельного топлива есть кислород, в то время как в традиционном дизтопливе – нет. Для преодоления вышеуказанных недостатков исследователи из университета Пардо (Purdue University) разработали систему контроля полного цикла работы двигателя. Главные элементы новой системы – механизм рециркуляции отработавших газов, который обеспечивает догорание выхлопа (аналог каталитического нейтрализатора в выхлопных системах бензиновых ДВС), а также умные электронные «мозги», способные регулировать работу мотора в зависимости от состава смеси, оборотов и других факторов. Новая система контроля позволила снизить выход оксидов азота до уровня традиционного дизеля, расход топлива также почти сравнялся, однако по этому показателю био всё ещё слегка отстаёт.
Концерн «Фольксваген» создал опытную модель автомобиля, которая совершит автопробег по британским просторам, заправляясь метаном, полученным из канализационных отходов.
Новейшую технологию получения биотоплива для автомобилей разработали учёные из знаменитой Аргонской национальной лаборатории в США.
Созданный в Лаборатории Endurance Bioenergy Reactor (Износостойкий Биоэнергетический Реактор) представляет собой простую, лёгкую в использовании портативную систему, в которой специальные биоинженерные бактерии поглощают различные отходы биологического происхождения для выработки топлива.
Эти фотосинтезирующие бактерии, которые были спроектированы учёными из Аргона под руководством биофизика Фила Лайбла, способны производить фитол (разновидность алкоголя) из различных источников, в том числе из древесной массы, оставшихся стеблей кукурузы, пищевых отходов и даже канализационных отходов. После выделения из ферментационного «бульона» фитол, по своим физическим и химическим свойствам похожий на дизельное топливо, считается «полностью готовым биотопливом», то есть его можно использовать непосредственно в дизельных двигателях и генераторах без дальнейшей обработки.
Биомассу или отходы загружают в специальный резервуар для брожения. Живущие там микроорганизмы начинают преобразование отходов в энергию. После окончания этого процесса бактерии подвергаются сублимационной сушке, упаковываются и сохраняются вместе с реакторным оборудованием для следующего цикла выработки энергии. Достаточно вскрыть пакет с бактериями и высыпать их в резервуар для брожения, и бактерии вновь готовы к работе.
Опытная модель реактора может вырабатывать топливо (до 50 галлонов в день) только в течение двух-четырёх дней.
Воздушные биоприключения
Пентагон последовательно готовится к полному переходу вооружённых сил США на альтернативное топливо. Необходимость поиска альтернативного топлива американские военные осознали давно. А в 2006 году группа учёных под руководством Майкла Хорничека получила задание Пентагона провести исследование возможных последствий нехватки нефти. В результате на стол тогдашнего министра обороны США Дональда Рамсфельда лёг доклад под названием «Война без нефти». В нём содержался непреложный вывод: американская армия должна как можно скорее соскочить с «нефтяной иглы». Только таким образом, подчёркивалось в документе, можно будет сохранить американское превосходство над другими странами.
Лидером по освоению перспективных альтернативных видов топлива являются военно-воздушные силы. И это неслучайно – на долю ВВС приходится 54 процента от общего объёма потребления топлива вооружёнными силами США. Ежегодно военно-воздушные силы «сжигают» в среднем 700 млн. баррелей топлива. Поэтому к 2016 году планируется перевести все самолёты и вертолёты военно-воздушных сил США на частичное использование биотоплива.
Первым новым типом топлива, получившим сертификат пригодности к эксплуатации в авиации, может стать горючее ACJ. Оно производится путём переработки этанола, который, в свою очередь, можно получать из сахарного тростника или кукурузы. Топливо ACJ получается относительно простым в производстве и, как следствие, достаточно дешёвым в сравнении с другими сортами. Однако уже на стадии разработки оно подверглось критике. Утверждается, что некоторые весьма технологические этапы производства ACJ почти полностью сводят на нет все экологические преимущества топлива.
Ещё одним видом внедряемого в ВВС США биотоплива является «алкогольное» ATJ (alcohol-to-jet). Оно вырабатывается из сахаров в древесине, бумаге, траве и другом растительном материале, содержащем много клетчатки. Полученные сахара ферментируются в алкоголь, который затем проходит через процедуру гидроочистки. Данное топливо может заменить используемое в настоящее время стандартное авиационное горючее.
Сейчас полностью завершились испытания летательных аппаратов, работающих на биотопливе, произведённом из угля и природного газа, а также из водорослей, грибов-рыжиков или масел животного и растительного происхождения. Это топливо носит общее название HRJ (Hydroprocessed Renewable Jet). В декабре 2011 года Министерство обороны США купило 450 тысяч галлонов (около 15 тысяч баррелей) этого биотоплива, потратив на него 12 млн. долларов.
Наиболее перспективным направлением развития биотоплива для ВВС сейчас считается создание комбинированных смесей из растительных и нефтяных компонентов. Иными словами, из какого-либо растения производится горючее-полуфабрикат, имеющее неплохие, но недостаточные для использования в авиации характеристики. Затем в него добавляется специальный комплекс присадок, изготовленный из нефтяного сырья. Присадки, естественно, могут немного испортить экологические параметры готовой смеси, однако значительно поднимут показатели экономичности.
В марте этого года фрегат ВМС США «Форд», заправленный 94,6 тысячи литров нового топлива, которое наполовину состояло из топлива HRD-76, полученного из водорослей, и наполовину – из нефтяного горючего F-76, вышел из порта базирования в городе Эверетт, штат Вашингтон. Он маневрировал до тех пор, пока его турбины полностью не «переварили» новое горючее.
В свою очередь, на базе ВМС Норфолк успешно прошли ходовые испытания экспериментального прибрежного катера сил специальных операций RCB-X. На нём было использовано композитное топливо, которое наполовину состояло из топлива F-76, а наполовину – из топлива HRD, производимого на основе водорослей альгае.
Возможность использования биотоплива на базе альгае проверялась на учениях ВМС «Римпак-2012», состоявшихся в июле прошлого года. Есть свои планы в переходе на альтернативные источники энергии и у армии (сухопутных сил) США. В частности, к 2025 году американские сухопутные войска планируют обеспечить за их счёт до четверти своей потребности в электричестве. Для нужд сухопутных сил создаётся гибридная версия армейского вездехода «хамви», способного работать как на обычном топливе, так и на электричестве.
Таким образом, считая, что армия, чьи исследователи найдут возможность производить в промышленных масштабах возобновляемое топливо, не основанное на нефти, станет, скорее всего, сильнейшей в мире, Пентагон тратит огромные средства на исследования в этой области. Кроме того, в силу необходимой унификации США, являясь ведущим государством – членом Североатлантического союза, оказывают в деле внедрения альтернативных источников энергии сильное влияние и на своих европейских союзников по блоку.
Учёные, работающие в Объединённом центре исследований и разработок компании «Роснефть», ведут исследования в области производства биотоплива для автомобилей и самолётов из олефинов и спиртов.