Навіщо потрібні біопалива?
У світі все більше говорять про необхідність заміни нафти, вугілля і газу на біопалива. Відлуння вже доходять і до Росії, де, втім, поки мало хто розуміє, що ж це таке насправді. У пресі іноді можна зустріти розповіді про чудесні речовинах, абсолютно не забруднюють навколишнє середовище і більш ефективних, ніж бензин, гас і дизельне паливо.
Насправді нічого принципово нового в біопаливах немає. Біопалива використовувалися тисячоліттями і для багатьох залишаються єдиним джерелом тепла і засобом приготування їжі. Головним біопаливом були і залишаються дрова, причому їх екологічність зовсім не очевидна - досить лише згадати про неконтрольовану вирубку лісів. Втім, тепер під словом "біопалива" рідко подразумевают дрова. Мова, як правило, йде про більш високотехнологічних продуктах, одержуваних з сільськогосподарських культур або відходів переробки рослинної і тваринної сировини. З поновлювані у них все в порядку, трохи складніше йде справа з шкідливими викидами. Прихильники кажуть, що біопалива менше забруднюють атмосферу, а супротивники заперечують, що при згоранні біопалив виділяються ті ж продукти, що і при спалюванні викопних палив
Істина ж, як водиться, лежить посередині. Дійсно, в процесі згоряння і тих, і інших палив утворюються, головним чином, вуглекислий газ, вода і кілька домішок, багато з яких є шкідливими: монооксид вуглецю, оксиди азоту, вуглеводні тощо Найбільшу увагу зазвичай приділяється шкідливих компонентів вихлопу і одному з винуватців парникового ефекту - вуглекислого газу.
Одним з головних переваг біопалив називають скорочення викидів парникових газів. Це, однак, не означає, що при згорянні біопалив утворюється менше діоксиду вуглецю (хоча і таке можливо). При згорянні біопалива в атмосферу повертається вуглець, який раніше поглинули рослини, тому вуглецевий баланс планети залишається незмінним. Викопні палива - зовсім інша справа: вуглець в їх складі мільйони років залишався "законсервованим" в земних надрах. Коли він потрапляє в атмосферу, концентрація вуглекислого газу підвищується.
У тому, що стосується шкідливих викидів, біопалива кілька виграють у нафтових. Більшість досліджень показують, що біопалива забезпечують зниження викидів моноксиду вуглецю і вуглеводнів. Крім того, біопалива практично не містять сірки. Разом з тим, дещо збільшується викид оксидів азоту, до того ж, при неповному згорянні багатьох біопалив в атмосферу потрапляють альдегіди. Але, в цілому, за рівнем шкідливих вихлопів біопалива виграють у нафтових.
Видів палив з біомаси пропонується безліч. Це і біогаз - метан, що отримується за рахунок розкладання органічних залишків (наприклад, гною) бактеріями, і тверді палива, але найбільше розмов йде про біопаливах для автомобілів: етанолі і "біодизелі".
Тим більше, якщо брати нинішню ціну за барель нафти (близько 100 $), то відкриваються незатребувані можливості виробництва альтернативних видів палива, які досі були просто нерентабельні через дорожнечу. Підвищення ціни на нафту більш ніж в два рази за останні три роки так чи інакше повинно було "вивести" в рентабельність ряд проектів, покладених раніше під сукно до кращих часів.
З табуреток? З тирси? З водоростей!
Нафта - не єдине сировину для отримання високооктанової органіки для двигуна нашого автомобіля. Зрозуміло, вітряк на автомобіль не поставиш, так само як ядерний або термоядерний реактор; акумулятори для роботи в якості джерела енергії для двигуна автомобіля, значно вдосконалені останнім часом в плані ємності, все ж поки не дають ідеального рішення.
Раз вже природа, запасаючи на майбутнє викопні види органіки, не передбачила численності людського племені і його жадібності, доведеться людству звернути свій погляд на органіку, зростаючу навколо і самостійно придумувати способи створення пального з підручних і, по можливості, поновлюваних джерел.
Логічний вихід на найближчий час - пошуки серед альтернативних способів синтезу високооктанової органіки, без застосування виснажуються викопних ресурсів. Способів таких безліч, один з найбільш популярних зважаючи на порівняно низьку собівартість однієї виробництва - це отримання спирту засобами поновлюваних природних ресурсів, сиріч, з біомаси з грядки. Одержуваний таким способом спирт можна заливати в бак в чистому вигляді, можна для додаткової економії змішувати з продуктами перегонки нафти. Все б добре, та місць з відповідним кліматом, де можна вирощувати кукурудзу та пшеницю для перегонки в спиртове паливо з достатньою рентабельністю, обмежена кількість.
По суті, водорості - це та ж органіка, прекрасно підходить для отримання біодизельного палива. хіба що, забезпечує відмінний вихід біомаси на кожен квадратний метр культивованих площ - на відміну від "сухопутних" рослин; не містить сірки та інших токсичних речовин - на відміну від нафти; нарешті, відмінно розкладається мікроорганізмами і, головне, забезпечує високий відсоток виходу готового до використання палива: для деяких типів водоростей - до 50% від початкової маси!
Для початку потрібно більш точно визначитися про предмет розмови. Під водоростями (Algae) в широкому сенсі маються на увазі найрізноманітніші одноклітинні і багатоклітинні організми, найхимерніших форм і розмірів (від часток мікрона до 40 м). Wikipedia так визначає цей термін: Водорості (лат. Algae) - група автотрофних, зазвичай водних, організмів. Містять хлорофіл та інші пігменти та виробляють органічні речовини в процесі фотосинтезу. Нас більшою мірою цікавлять мікроводорості.
Чи варта шкурка вичинки? Може, ну його - плутатися в цій брудній тину заради сумнівного задоволення? Варто, ще як варто! Дані, знайдені на сайті видання Permaculture Activist, які відображають результати роботи компанії NREL, прямо скажемо, приголомшливі.
(Один американський галон - це приблизно 3,785 літра). Справа, як з'ясовується, не стільки в цифрах абсолютної кількості, можливо, набагато важливіше звернути увагу на в десятки разів перевершують показники мікроводоростей щодо традиційних "сухопутних" культур.
Як приклад серйозних досліджень по вирощуванню водоростей можна привести результати, отримані вище згаданої лабораторією NREL в роки нафтової кризи 70-х в рамках програми Aquatic Species Program (ASP). Для виробництва біодизельного палива, багатого ліпідами, використовувалися встановлені на відкритому повітрі прозорі "садки", в які подавався газ CO2 з розташованої неподалік електростанція на вугіллі. В результаті експериментів ASP вдалося встановити близько 300 підвидів водоростей - головним чином, діатомових (крем'яних) водоростей (diatoms) і зелених водоростей (Chlorophyceae), що дозволяють досягати наступні результати:
- при оптимальних умовах зростання мікроводоростей можна досягати продуктивності до 15000 галонів з акра в рік.
- 7,5 млрд. Галонів біодизельного палива може бути вироблено на площі в 500 тисяч акрів в пустелях (для виробництва такої ж кількості біопалива з ріпаку треба було б зайняти близько 58 млн. Акрів).
- водорості містять жири, вуглеводи і протеїн, в деяких випадках - до 60% жирів, до 70% яких може бути "видобуто" елементарної віджимання.
- не вдалося знайти відповідних культур для культивації поза "кошів".
Що ж, як то кажуть, справа за малим - навчитися толком переробляти всю цю вологу біомасу в консистенцію, придатну для залиття в бак автомобіля.
Треба відзначити, що в США проблемою отримання недорогого біодизельного палива для автомобілів займаються десятки компаній і безліч наукових груп в самих різних університетах країни. Однією з таких компаній є Центр технологій створення біопалива (Center for Biorefining), що при університеті штату Міннесота (University of Minnesota). Група вчених цього центру під керівництвом Роджера Руана (Roger Ruan) багато років досліджує можливості використання різних типів водоростей для отримання недорогого біопалива для автомобілів.
Основним досягненням, отриманим Роджером Руаном і його колегами, називають технологію повного циклу отримання біопалива з водоростей, включаючи способи збільшення швидкості приросту маси, ефективні методики "вичавки", а також ефективні шляхи утилізації відходів, що залишаються після переробки біомаси.
Основною проблемою, яка стримує швидкий приріст маси водоростей, вважають занадто малу - всього лише на кілька сантиметрів, можливість проникнення сонячного світла в товщу водно-рослинної суміші, через що ефективність використання великих ємностей, та й в цілому відкритих водойм, виявляється дуже низькою. В цьому плані вченим з Міннесоти вдалося розробити такий принцип роботи «фотобіореактор», при якому забезпечується оптимальний режим перемішування світла і поживних речовин для гарного виходу продукції при роботі навіть з «дикими» культурами водоростей. Найцікавіше, що всі експерименти з вирощування водоростей Руан і його колеги проводили на станції для очищення стічних вод. Благо, в фильтратах стічних вод достатньо фосфатів і нітратів - речовин, вкрай забруднюючих річки, але вельми корисних і поживних для водоростей. Бачення майбутнього вченими з Міннесоти якраз включає такі "водоростеві ферми", що стоять поруч з очисними спорудами і споживають все необхідне зі стоків - в тому числі, вуглекислоту, що отримується при спалюванні осаду стічних вод.
Головна мета, яка стоїть нині перед дослідниками - зниження собівартості виробництва біопалива. За словами представників UOP LLC, підрозділи Honeywell International по розробці біопалива, результат можна буде вважати задовільним у разі досягнення рівня нижче $ 2 за галон, і, що показово, зараз безліч фахівців не бачать в цьому нічого нереального. Втім, в Пентагоні цілком згодні, якщо авіаційне паливо з водоростей буде коштувати менше $ 5 за галон, а в ідеалі - менше $ 3 за галон.
Якщо пофантазувати досхочу, можна уявити собі "водоростеві фабрики" де завгодно, благо, вже що-що, а відходи людство навчилося виробляти найкраще, в необмежених кількостях. Більш того, для такої фабрики зовсім не знадобиться використання орних земель - як у випадку з виробництвом біопалива з рослин, і більше не трапиться подорожчань рослинного масла і хліба через розтрат врожаю на виробництво палива.
Використання спиртів як паливо для автомобільних двигунів - давно не новина. Розробники перших двигунів внутрішнього згоряння приділяли спиртовим моторам не менше уваги, ніж бензиновим. Спирти мають високі октанові числа - більше 100 одиниць, але меншу в порівнянні з нафтовими паливами теплоту згоряння (при згорянні палива виділяється менше енергії, потужність падає, а витрата палива збільшується).
Використання спиртів як паливо для автомобільних двигунів - давно не новина. Розробники перших двигунів внутрішнього згоряння приділяли спиртовим моторам не менше уваги, ніж бензиновим. Спирти мають високі октанові числа - більше 100 одиниць, але меншу в порівнянні з нафтовими паливами теплоту згоряння (при згорянні палива виділяється менше енергії, потужність падає, а витрата палива збільшується).
Початок великомасштабного видобутку нафти зробило застосування спирту в якості моторного палива невигідним. Спиртові палива стали нішевим продуктом: наприклад, на метиловий спирт працюють двигуни мотоциклів для спідвею і багатьох спортивних картів. Спиртове автомобільне пальне користується певною популярністю в Бразилії, де немає великих запасів нафти, але зате є ідеальні умови для вирощування цукрового очерету і виробництва з нього дешевого спирту.
Крім етанолу і метанолу, як моторних палив пропонується використовувати і інші спирти. Компанії BP і Du Pont роблять ставку на бутанол.
Найбільшу увагу зараз приділяється саме етилового спирту. У стрічках науково-технічних і економічних новин повідомлення про плани по будівництву нових заводів з'являються мало не щодня. У США цукрова тростина не росте, тому головним джерелом біоетанолу повинна стати кукурудза. "Царицею полів" справу, втім, не обмежується: в хід планується пустити все - від картоплі і пшениці до різних органічних відходів. Ряд країн планують налагодити експорт біоетанолу в США і інші держави, зацікавлені в переході на спиртове пальне. Бразилія планує до 2025 р замінити тростинним спиртом до 10% споживаного в світі бензину.
Бензинові двигуни, в загальному випадку, не годяться для використання спиртового палива, хоча конструктивні зміни для перекладу їх на спирт мінімальні. Часто вдається обмежитися використанням стійких до спиртів матеріалів і установкою елементів для відділення водяного конденсату. В даний час багато провідні автовиробники випускають універсальні двигуни, здатні працювати на бензині, спирті або їх сумішах. При використанні сумішей бензину з невеликою кількістю спирту (до 10%) паливо, як правило, підходить і для звичайних бензинових двигунів.
Карта працюючих (темні точки) і споруджуваних (світлі точки) заводів з виробництва етанолу в США.
Потрібно відзначити, що синтетичний етанол, що отримується з нафти, в якості палива володіє такими самими властивостями, як і отриманий з рослинної сировини, але не забезпечує нейтральності в плані викидів вуглекислоти.
Ідея використовувати рослинні масла в якості палив для дизельних двигунів була висунута ще при створенні перших таких моторів. Однак з освоєнням нафтових запасів в XX столітті більш вигідним виявилося паливо з нафти. Зараз біодизельне паливо часто ототожнюють з рапсовим маслом, яке дійсно стало основним сировинним джерелом "біосоляри" в Європі. Однак біодизельне паливо можна отримувати і з інших масел, наприклад, соняшникової, пальмової або соєвого, що і роблять за межами Європи.
Важливо мати на увазі, що самі по собі рослинні масла в якості палив не використовуються. Будь-яка "біосоляра" являє собою суміш продуктів переетерифікації рослинних масел. У рослинному містяться жири - ефіри жирних кислот з гліцерином. У процесі отримання "біосоляри" ефіри гліцерину руйнують і замінюють гліцерин (він виділяється як побічний продукт) на більш прості спирти - метанол і, рідше, етанол. В Європі основним біодизельним паливом став метиловий ефір рапсового масла.
Рослинні масла і їх ефіри, як і спирти, відрізняються