Биотопливо - объем и рентабельность

Современная биомасса Земли в пересчете на сухое вещество составляет примерно 2 400 млрд т, т. е. на порядок превышает ее ежегодный прирост. При этом на биомассу океана приходится всего 3,2 млрд т, т. е. почти в 1000 раз меньше. Это связано с меньшей эффективностью фотосинтеза океана, так как эффективность использования энергии Солнца на площади океана равна 0,04 %, а на суше – 0,1 %. Однако удельная продуктивность океанических биоценозов настолько высока, что ничтожная по сравнению с сушей фитомасса океанов создает ежегодно чистую продукцию, сопоставимую с чистой продукцией суши. 

В океанах ежегодно образуется 55 млрд. т. растительной массы, что составляет почти треть общей биопродукции планеты. А суммарная масса живого вещества, произведенного на Земле за последний миллиард лет, превышает всю массу земной коры, что, конечно, не может не впечатлять, и вызывает энтузиазм у поклонников «зеленой энергетики». Биомасса на суше распределена очень неравномерно, ее объем возрастает от полюсов к экватору, причем более 99 % биомассы приходится на зеленые растения, а животные и микроорганизмы составляют менее 1 %.

Распределение живого вещества на планете



Из потока излучения, падающего непосредственно на поверхность, около 40 % приходится на участки Земли, покрытые растениями, а также на водоемы с содержащейся в них растительностью. С учетом того, что растения способны поглощать лишь определенную часть солнечного спектра, а также потерь энергии радиации вследствие отражения и других причин и низкого КПД фотосинтеза, составляющего в среднем около 1 %, в продуктах фотосинтеза ежегодно запасается лишь незначительная часть падающей на поверхность Земли солнечной энергии. Кроме создания чистой продукции, живой покров суши использует захваченную им энергию Солнца для процесса дыхания, энергетические затраты на которое составляют около 30–40 % энергии, расходуемой на создание чистой продукции. Таким образом, биосфера использует на процессы жизнедеятельности лишь небольшую часть падающего на Землю потока солнечной радиации.

Но как мы отмечали, человечество уже потребляет в виде пищи, корма для животных и топлива более 10 % первичной продукции биосферы, в то время как сохранение равновесия биосферы требует, чтобы эта величина не превышала 1 %. При этом из-за эрозии почвы в результате интенсивного земледелия, горнопромышленных разработок, расширения селитебных зон, промышленного и гидротехнического строительства площадь пахотных земель, которая достигает почти 10 % поверхности суши, постоянно сокращается. 

А население нашей планеты, несмотря на все меры, предпринимаемые в развивающихся странах для стабилизации населения, уже превысило 7 млрд человек и продолжает ежегодно увеличиваться на 80 миллионов. То есть площадь пашни в расчете на одного жителя Земли, а следовательно, и душевое производство продовольствия, непрерывно сокращаются. И это в условиях, когда каждый седьмой человек в мире (т. е. ~1 млрд человек) страдает от хронического голода и недоедания, и только в Африке от голода каждый день умирает свыше 15 000 человек.

Вследствие постоянной эрозии и довольно быстрого расхода такого практически невосполнимого ресурса, как почва, а также большого объема ископаемого топлива и производимых из ископаемого сырья минеральных удобрений, без которых невозможно многолетнее эффективное возделывание высокоурожайных монокультур, строго говоря, биотоплива, получаемые в результате интенсивного сельскохозяйственного производства, вообще не могут считаться возобновляемым ресурсом. Технические культуры, в т. ч. кукуруза, приводят к значительно большей эрозии почвы, чем зерновые или фуражные культуры, и резко увеличивают потребление крайне дефицитной воды на орошение. Проведенные в США в штате Огайо исследования показали, что продолжительное выращивание кукурузы как монокультуры увеличивает скорость эрозии почвы в девять раз по сравнению с последовательным чередованием посевов кукурузы и пшеницы.

Таким образом, человечество стоит на пороге острейшего продовольственного кризиса, вызванного продолжающимся ростом населения и одновременным сокращением основной базы для производства продовольствия – пахотных земель. В этих условиях вряд ли имеет смысл серьезно обсуждать глобальные перспективы использования сельскохозяйственной продукции для расширения топливной базы мировой энергетики. 

Только крупнейшие мировые производители продовольствия, такие как США, Бразилия и некоторые европейские страны, могут позволить себе направлять значительную долю своего избыточного производства сельскохозяйственных культур на производство топлива и другой непищевой продукции. Или изымать значительную долю пахотных земель для производства непродовольственных культур: только выполнение плана ЕС по переводу к 2020 году 10 % автомобильного парка на биодизель потребует выделения для этой цели 4,5 млн гектаров земли – площадь, эквивалентная размерам Дании.



Рис. Потребление кукурузы на производство биоэтанола в США (Источник: USDA – Министерство сельского хозяйства США)

Если при этом и не страдает население самих стран-производителей сельхозпродукции, то этого нельзя сказать о населении остальных, особенно беднейших стран, традиционно получавших продовольственную помощь. Ведь на производство этанола в США пошла большая часть того зерна, которое ранее шло на экспорт, в том числе на продовольственную помощь другим странам. В результате уже в 2006 г., сразу после начала массового производства биоэтанола в США, мировая цена на кукурузное зерно увеличилась в три раза. Это поставило в очень тяжелое положение и без того голодающее население многих слаборазвитых стран.

Использование пищевого сырья для производства топлива стало одним из главных факторов наблюдаемого в последние годы резкого роста мировых цен на продовольствие. Этот рост цен происходит на фоне прогнозов о возможном удвоении к 2030 году мирового спроса на продукты питания. Помимо увеличения численности населения рост спроса на продукты питания связан и с повышением уровня жизни в развивающихся странах, где заметно увеличивается потребление продукции животноводства, отрасли, потребляющей большие объемы зерна.

Проводимая рядом промышленно развитых стран политика поощрения производства биотоплив путем предоставления их производителям различных субсидий на закупку сырья не только сокращает продовольственные ресурсы, но и взвинчивает цены на продукты питания. Согласно оценкам Международного энергетического агентства (МЭА), в 2009 году правительственная поддержка производителей биотоплива во всем мире составила около 20 млрд долларов, основная часть которой пришлась на США и страны ЕС. МЭА прогнозирует дальнейшее увеличение объема субсидий – до 45 млрд в год в 2010–2020 годах и до 65 млрд в год в 2021–2035 годах.

Только в США, где треть выращиваемой кукурузы используется для получения биоэтанола, объем субсидий составляет около 6 млрд долларов в год. Господдержка, выражающаяся в льготном налогообложении производителей биотоплива, составляет в настоящее время 45 центов за галлон (3,6 литра) при цене галлона бензина на уровне двух долларов. Дополнительные 10 центов помощи получают небольшие производители, а величина импортных пошлин составляет 54 цента за галлон. Сейчас в США идет бурная дискуссия о целесообразности продления льгот производителям биотоплива.

Критики развития биотопливной индустрии справедливо отмечают, что растущий спрос на биотопливо вынуждает сельхозпроизводителей сокращать посевные площади под продовольственными культурами и перераспределять их в пользу топливных. По оценкам, в результате биотопливного бума число голодающих на планете к 2025 году возрастет до 1,2 млрд человек. Ведь для производства этанола всего на одну заправку джипа (100 л) требуется около 450 фунтов кукурузы. Этого количества достаточно для питания одного человека «третьего мира» в течение почти года.

Таким образом, в случае реализации планов администрации США по расширению производства биотоплива, только для американских автомобилей потребуется объем сельхозпродуктов, достаточный для пропитания более чем миллиарда людей.
Но самое главное, производимый из зерна этанол не является экономически и энергетически эффективной альтернативой бензину. Замена только 10 % необходимого к 2020 г. США бензина этанолом потребует шестой части всех земель, занятых в стране под зерновые. Если даже в США будут задействованы все доступные ресурсы биосырья, что практически нереально, это позволит удовлетворить не более 50 % потребности американского рынка в автомобильном топливе.


Рис. Потребность США в автомобильном топливе по сравнению с возможностями получения синтетического топлива из биомассы

Не выдерживает критики и энергетический аспект получения биотоплив. Американские оппоненты широкого внедрения возобновляемых топлив рассчитали, что на получение этанола из зерен кукурузы требуется на 29 % больше энергии, чем содержится в полученном топливе. А для того, чтобы использовать в качестве сырья для производства этанола скошенную траву (сено), потребуется уже на 50 % больше энергии ископаемого топлива, чем содержится в полученном топливе (Арутюнов, 2008). То есть для большинства видов биотоплива значение показателя EROEI балансирует около 1, а для некоторых видов оказывается даже меньше. Иными словами, затраты энергии при получении биотоплива могут быть выше, чем содержащаяся в нем энергия.

Хотя сторонники биотоплива оспаривают эти оценки, даже по данным явно неравнодушных к этому вопросу экономистов Министерства сельского хозяйства США прибавка в энергосодержании составляет всего 34 %, да и то благодаря последним технологическим достижениям в этой области. Согласно результатам, полученным в Калифорнийском университете в Беркли, энергетический баланс биоэтанола все-таки положителен, но доля действительно возобновляемой энергии, полученной за счет энергии солнца, составляет всего от 5 до 26 %. Остальное покрывается за счет энергии ископаемых топлив. Если принять среднюю величину «зеленой» энергетической добавки к затраченному ископаемому топливу равной 16 %, то декларированная администрацией США 15 %-ная добавка биоэтанола к бензину обеспечит в нем долю возобновляемой энергии всего 2,4 %. Причем этот с таким трудом обеспеченный вклад возобновляемой энергии в топливный баланс США будет съеден всего за три года общим ростом потребления бензина.

В последнее время сторонники «зеленой» энергетики делают в своих планах и декларациях упор на биотоплива второго и третьего поколения, то есть на использование непищевых отходов сельскохозяйственного производства и промышленное выращивание водорослей. Однако непищевые сельскохозяйственные отходы дают значительно более низкую отдачу с единицы площади, требуют более высоких расходов на сбор и подготовку сырья, а главное, содержат в основном целлюлозу и лигнин, промышленная переработка которых в биотопливо, несмотря на многолетние интенсивные исследования, пока осуществляется только в экспериментальных масштабах. Поэтому экономическая и тем более энергетическая эффективность использования такого сырья представляется еще более проблематичной.

Что касается водорослей, то основными аргументами в их пользу являются более высокая эффективность фотосинтеза, на уровне 6–8 % по сравнению в среднем с 1–2 % для наземных растений, а также отсутствие необходимости в использовании сельскохозяйственных угодий. Однако, во-первых, эффективность фотосинтеза кукурузы составляет около 7 %, т. е. практически не уступает водорослям, что, тем не менее, не делает производство из нее биоэтанола экономически и энергетически эффективным. А во-вторых, использование морских и океанских акваторий для промышленного производства биомассы на основе специально выведенных штаммов водорослей должно быть полностью исключено из-за возможных глобальных катастрофических экологических последствий. 

И даже использование для их производства изолированных природных водоемов не может исключить серьезные экологические последствия. Кроме того, так же, как и в сельском хозяйстве, объем и рентабельность такого производства в конечном счете будут определяться объемом и стоимостью вносимых удобрений и немалыми затратами традиционного топлива на сбор, подготовку и переработку полученного сырья.

Таким образом, ни энергетический, ни экономический аспекты промышленного сельскохозяйственного производства биотоплив в глобальных масштабах не выдерживают серьезной критики. Но, может быть, все окупается экологическими преимуществами «зеленой» энергетики? Однако «зеленое» на первый взгляд топливо оказывается совсем не таким уж «зеленым» при более строгом анализе. Ведь для компенсации земель, изымаемых для производства непродовольственных культур, будут нужны новые посевные площади. 

Это потребует сведения лесов, что приведет к уменьшению способности биосферы перерабатывать углекислый газ в кислород – таким образом, в противоположность декларируемым целям, концентрация углекислого газа в атмосфере только вырастет, а не уменьшится. В Индонезии и Малайзии для создания пальмовых плантаций для производства биодизеля была вырублена немалая часть тропических лесов. То же самое произошло на Борнео и Суматре. Поэтому, как показал ряд проведенных в последнее время исследований, с точки зрения снижения антропогенного выброса диоксида углерода, являющегося основным парниковым газом, оптимальной стратегией является максимальное снижение производства биотоплив и использование высвобождающихся площадей для посадок лесов, являющихся наиболее эффективными поглотителями СО2 из атмосферы.

Кроме того, сторонники тезиса об «экологической чистоте» биотоплив, как правило, не учитывают выбросы, образующиеся при производстве, обслуживании и последующей утилизации огромного и быстро выходящего из строя парка механизмов, необходимых для выращивания, сбора и переработки растительного сырья. Необходимо также учитывать огромный объем сжигаемого при этом традиционного топлива. То есть приводимые оценки экологических преимуществ биотоплив, мягко говоря, некорректны. 

Согласно имеющимся данным, при корректном расчете по всему жизненному циклу с учетом используемого для их производства оборудования и традиционных топлив, кукурузное и рапсовое топливо создает на 50–70 % больше парниковых газов, чем традиционный бензин и дизтопливо. При этом повышение эффективности использования традиционного бензина всего лишь на 3 % привело бы к экономии большего количества углеродного топлива, чем использование всего производимого в мире этанола.

Спорным остается и тезис о меньшей токсичности выхлопа автомобилей, использующих топливо с биодобавками. Безусловно, добавка к бензину кислородсодержащих соединений, таких, как этанол, увеличивает полноту сгорания топлива, снижая выбросы оксида углерода, ароматических углеводородов и частиц сажи. Но при этом в выхлопе появляются альдегиды (формальдегид и ацетальдегид) и ряд других соединений, наносящих живым организмам не меньший ущерб, чем ароматические углеводороды.

Разумеется, использование для производства энергии всевозможных бытовых и сельскохозяйственных отходов, особенно там, где они концентрируются в промышленных масштабах, или где такая концентрация экономически выгодна, необходимо и должно развиваться. Производство биотоплив, безусловно, будет продолжаться в особо благоприятных климатических условиях, например в Бразилии. Но добиваться их широкого внедрения в России, которая до сих пор импортирует до половины потребляемого продовольствия, и при этом, по самым скромным оценкам, из-за неэффективного использования бесполезно теряет до трети добываемого ископаемого топлива, вряд ли целесообразно.

Промышленное производство биотоплива в России в настоящее время в основном ограничено производством пеллет – топливных гранул, получаемых из отходов лесодобычи и деревообработки. Это самое дешевое биосырье, которое только можно себе вообразить. При этом теплотворная способность пеллет практически такая же, как у угля – ~19 МДж/кг, а сами пеллеты сравнительно дешевы. Этот бизнес в основном ориентируется на экспорт в Скандинавию, Италию и Германию. Более 100 российских заводов производят почти 1 млн тонн пеллет, из которых подавляющая часть идет на экспорт. 

Однако сейчас этот рынок практически полностью насыщен. Как в случае с любыми биотопливами, транспортировка на большие расстояния, выше несколько сот километров, делает производство пеллет нерентабельным. Внутренний же рынок пеллет практически не развивается. ТЭЦ, которые бы использовали пеллеты в промышленных масштабах, в стране пока нет. Поэтому даже во многих лесных регионах производство пеллет оказалось нерентабельным. Там выгоднее сжигать в котельных непосредственно первичные отходы лесопереработки. На основе отходов животноводства и растениеводства в различных регионах развивается местное производство биогаза. Видимо, эти направления и являются наиболее разумными для отечественного производства биотоплив.

Правда, в прессе и даже в научных изданиях регулярно публикуются утверждения, что «Россия обладает крупнейшими в мире возобновляемыми запасами биомассы, пригодной для использования в энергетических целях, доступные запасы которой эквивалентны 300 млрд кВтч электроэнергии». К сожалению, эти публикации никогда не сопровождаются экономическим анализом тех затрат, которые необходимы для того, чтобы собрать эту биомассу с необъятных российских просторов, транспортировать за сотни километров к пунктам переработки и превратить в биотопливо или непосредственно энергию.

Что же в итоге? Мы приходим к вполне определенному выводу, что фундаментальные характеристики известных нам возобновляемых источников энергии: их общий энергетический потенциал, характерная плотность потока энергии, отношение получаемой энергии к энергозатратам на ее получение и себестоимость получаемой энергии не позволяют в обозримой перспективе рассчитывать на глобальную роль этих источников в мировой энергетике.


Несколько веков назад человечество начинало свою промышленную революцию, целиком полагаясь на «экологически чистые» возобновляемые источники энергии – биотопливо (дрова), энергию воды и ветра. Реалии технологического развития еще два века назад убедительно показали, что интенсивное промышленное производство не может базироваться на этих источниках из-за низкой плотности потока производимой ими энергии. И тем более этот путь, уже давно показавший свою экономическую и технологическую несостоятельность, не может стать панацеей для многократно выросшего и более энерговооруженного человечества.
Рекомендуем × +
НАЗАД
« Prev Post
ВПЕРЕД
Next Post »
Показать комментарии
Скрыть комментарии


Добавить к комментарию смайл
EmoticonEmoticon