Водоросли? Полный бак. Безальтернативное будущее альтернативного топлива

Материал может быть использован в процессе изучения раздела «Альтернативные источники получения энергии» дисциплины «Экология», а также для подготовки междисциплинарного занятия по химии и экологии.

Еще во времена первого нефтяного кризиса в 1970-х годах человечество задумалось о поисках альтернативных источников энергии, способных заменить традиционное углеводородное топливо. Однако невысокие на тот момент цены на нефть и несовершенство существовавших технологий формировали негативное отношение к биотопливным проектам. С другой стороны, стремление отдельных государств снизить их собственную зависимость от нефтяного импорта и следовать требованиям Киотского протокола, предусматривающего сокращение выбросов парниковых газов в атмосферу, явилось фактором, стимулировавшим исследования. Однако и на сегодня наиболее востребованным энергоресурсом продолжает оставаться нефть (см. диаграмму), тогда как биотопливо занимает весьма малую долю мирового энергетического рынка (не учтено в данных диаграммы). Так, в США и Европе уровень потребления альтернативного горючего составляет приблизительно 4-5%. Первое место принадлежит Бразилии, располагающей значительными запасами дешевой биологической массы. В то же время к 2030 году биотопливо, по прогнозам экспертов, должно занять значительную нишу энергетического потребления – до 30%.Во всем мире чрезвычайно ярко выражена нефтяная зависимость транспортного комплекса. В настоящее время мировой автопарк составляет порядка 900 млн автомашин с ежегодным приростом 2,5%; он потребляет около 2 млрд тонн топлива в год, на изготовление которого расходуется 6-8 млрд тонн нефти (доказанные мировые запасы нефти колеблются около цифры 140 млрд тонн). Поскольку нефть является невозобновляемым сырьем, понятно, что ХХI век будет закатом нефтяной эры.Один из выходов – использование так называемого биотоплива. В отличие от нефти и газа биотопливо производится из возобновляемого материала и является биоразлагаемым без ущерба для окружающей среды. Хотя потенциальных источников для его производства достаточно много, на практике их круг ограничивается локальными географическими, климатическими и экономическими особенностями той или иной страны. В настоящее время существует возможность переработки трех категорий биологического сырья – сельскохозяйственных культур, древесной массы и различного рода отходов.Биоэтанол производится в Англии из пшеницы, в США и Южной Америке из сахарного тростника и свеклы, кукурузы и соевых бобов. Производство этилового спирта не требует значительных финансовых затрат, процесс его получения – извлечение крахмала, затем его сбраживание – хорошо изучен и отработан. Этанол обеспечивает высокий КПД двигателя (теплопроизводительность биоэтанола ниже, чем бензина, однако за счет большей полноты сгорания расход топлива одинаков при использовании бензина и биоэтанола) и низкий уровень выбросов. Такой вид топлива особенно популярен в теплых странах. Основные недостатки использования этанола – выбросы формальдегида и ацетальдегида (канцероген и предполагаемый нейротоксин), кроме того, он вызывает коррозию металлов, что требует внедрения специальных бензонасосов.Биодизель получают из масел зерновых культур. Его производят из семян рапса в Англии и пальмового масла в Юго-Восточной Азии. Применение биодизельного топлива связано в первую очередь со значительным снижением эмиссии вредных веществ в отработанных газах (на 25-50%). В регионах интенсивного использования биодизелей улучшается экологическая обстановка, потому что серы в биодизеле cодержится менее 0,001% по сравнению с 0,2% в дизеле, получаемом из нефти.Вышеописанные биоэтанол и биодизель классифицируются как биотопливо первого поколения, то есть получаемое из сырого материала, который может быть использован в пищевом производстве (сахар, крахмал, растительное масло и животный жир).Использование биотоплива имеет свои социальные и экономические последствия. Для производства горючего из сельскохозяйственных культур необходимо расширять посевные площади, а значит, вырубать леса. Эта проблема тянет за собой другую… Требуются огромные объемы воды для полива, а этого ресурса планете и так не хватает. В связи с вырубкой леса уже значительно пострадали тропические леса (они уничтожены на площади 21 млн гектаров в Бразилии и 14 млн гектаров в Аргентине), исчезают редкие виды животных. Рапс, генномодифицированная кукуруза и сахарный тростник, идущие на производство биоэтанола, – кормовые культуры, и сокращение земельных территорий, на которых они выращиваются, в пользу биотоплива может привести к дефициту мяса и подорожанию зерновых. Земельные компании ради выгоды отдают земли под посевы растений, оставляя бедняков без крова… Подобная трансформация мирового сельского хозяйства программирует будущий скачок мировых цен не только на нефть, но и на продовольствие.Биотопливо второго поколения получается в результате переработки биологического сырья с использованием древесной массы, отходов производства и сельского хозяйства, менее ценных аграрных культур (просо, ятрофа), стеблей, листьев, шелухи и др. Это топливо синтетическое, поскольку имитирует существующие виды ископаемого топлива по химическим характеристикам (хотя и производится из биомассы с большей долей «дерева», то есть соломы, а не самой кукурузы, например), и легко интегрируется в существующие топливные системы. В биотопливе второго поколения целлюлоза и лигнин древеснообразных структур типа проса или отходов производства типа соломы расщепляются с помощью ферментов. Топливо, производимое из отходов древесноподобных трав, растущих на бросовых землях, должно в конечном итоге стать дешевле топлива, вырабатываемого из продовольственных культур. К основным видам биотоплива данного класса относятся лигноцеллюлозный биоэтанол, биодизель, биометанол и биоводород.Коротко химизм процесса получения биодизеля заключается в следующем: опилки, щепа, солома, навоз, кожура фруктов и так далее предварительно высушиваются, нагреваются до 400-500 0С, затем образовавшийся газ проходит ряд превращений в присутствии катализаторов, и на выходе из реактора образуется дизельное топливо, не содержащее серы и других вредных примесей (см. схему). Биодизель обладает преимуществами по сравнению с углеводородным или другими видами синтетического топлива, в частности, снижает выбросы частиц сажи, СО2, оксидов азота. По сравнению с биоэтанолом его производство из растений требует на 2/3 меньше сельскохозяйственных площадей.Основные достоинства биотоплива второго поколения по сравнению с первым поколением: возможна переработка более разнообразной биологической массы, существенно – до 90% – сокращается выброс парниковых газов. В то же время к основным недостаткам этого вида топлива можно отнести неотработанные технологии и высокую себестоимость изготовления (на 30-70% выше стоимости получения традиционных видов топлива). Вот почему рынка биотоплива второго поколения к настоящему моменту не существует. Запущенные единичные производства носят экспериментальный характер. Основные усилия сосредоточены на исследовательских проектах. Запуск первых реальных производств прогнозируется в 2010-2020 годах.Наконец, выделяют биотопливо третьего поколения. Его получают на основе морских водорослей с высоким содержанием масла. Плюс такого сырья – превосходная биологическая разложимость, недостаток – необходимость больших площадей и специальных условий выращивания водорослей (тепло, открытые водоемы, незначительный перепад ночных и дневных температур). Кроме того, биотопливо третьего поколения можно получать с помощью цианобактерий (синезеленых водорослей), способных в процессе фотосинтеза накапливать углеводороды до 40% общего сухого веса клетки.В общем и целом производство биотоплива – сложная и архиважная задача, ее решение позволит сократить выбросы парниковых газов, снизить темпы потребления нефти и сохранить ее для будущих поколений, защитить окружающую среду. Вот почему человечество просто обязано идти по этому пути. Так, Евросоюз поставил задачу к 2020 году перевести 10% своих автомобилей на биологическое топливо, США – 20%.Технический прогресс неостановим. Сегодня человечество ориентируется на биотопливо второго и третьего поколений, не конкурирующие за пищевое сырье и пахотные земли. России уготовано в постугольном и постнефтяном будущем особое место. Рынок биотоплива в нашей стране перспективен за счет отходов растениеводства, животноводства и деревообрабатывающей промышленности, а также использования посевных площадей в полном объеме.ЛитератураЯнчилина Ф. Вырастить и сжечь? // Поиск, 27 августа 2008 г.Сайт Российской национальной биотопливной организации http://www.bioethanol.ruАнглоязычный ресурс Национальной торговой ассоциации США по биодизельной продукции http://www.biodiesel.org/Сайт английской газеты «The Guardian», посвященный новостям в области биотопливной энергетики, http://www.guardian.co.uk/environment/biofuels​Светлана ХОРОНЕНКОВА, кандидат химических наук