Л.В. Назаренко

Одной из особенностей развития современного мира является повышенное внимание мирового сообщества к проблемам рациональности и эффективности использования энергоресурсов, внедрения технологий энергосбережения и поиска возобновляемых источников энергии.

Сегодня развитие возобновляемой энергетики в мире приняло ускоренный характер, что связано с нарастающими многофакторными кризисными явлениями глобального характера. С одной стороны, отмечается ограниченность геологических запасов основных видов топливных ресурсов — нефти и газа, что приводит к неизбежному росту цен на них [1, табл. 1]. С другой стороны, очевиден рост негативного влияния экологических факторов, вызванных последствиями жизнедеятельности человека.

Таблица 1

Извлекаемые запасы ископаемых первичных энергоносителей и ежегодный прирост биомассы (в млрд т) [1]

Основной экологический ущерб, связанный с глобальным изменением климата Земли, — парниковым эффектом, наносят, главным образом, добыча, переработка и сжигание ископаемых видов топлива — угля, нефти и газа. Парниковый эффект составляет до 75 % доли антропогенного экологического ущерба. В этой связи удовлетворение нарастающих потребностей населения мира в топливе, электрической и тепловой энергии одновременно с обеспечением экологической безопасности обуславливает необходимость развития возобновляемой энергетики, ведь нефть — не единственное сырье для получения высокооктановой органики для двигателей.

Биотопливо занимает особое место в структуре возобновляемых источников энергии. Будучи одним из немногих видов альтернативного топлива в транспортном секторе, биотопливо рассматривается в качестве важного ресурса при выборе источников энергии и обеспечения энергетической безопасности, развития сельского хозяйства и сельских районов, а также для смягчения последствий изменения климата путем сокращения выбросов парниковых газов [18].

В нашей предыдущей публикации были проанализированы различные виды биотоплива [4]. Условно биомассу, как сырье для производства биотоплива, можно подразделить на три поколения [1, 3]. В настоящий момент различают следующие поколения биотоплива (см. рис. 1):

пищевые масло- и сахаросодержащие наземные растения;

непищевые и целлюлозосодержащие растения;

непищевые водные растения, т. е. водоросли.

Рис. 1. Упрощенная классификация поколений биотоплива [1]

Биотопливо первого поколения изготавливают из сахара, крахмала, растительного масла и животного жира, используя традиционные технологии. Основными источниками сырья являются семена или зерно. Например, из семян рапса извлекают растительное масло, которое затем может быть использовано в биодизеле. Из пшеницы получают крахмал, после его сбраживания — биоэтанол.

Вырубка лесов, отрицательное воздействие на традиционное сельское хозяйство, дисбаланс использования сельскохозяйственных земель в сторону технических культур и угроза продовольственной безопасности — вот некоторые из проблем, с которыми сталкивается человечество при производстве биотоплива. Основной проблемой в производстве топлива из биомассы является продовольственная безопасность, поскольку биотопливо первого поколения производится из сельскохозяйственных культур, входящих в пищевую цепочку людей и животных (кукуруза, соя, масличная пальма, рапс, сахарный тростник, пшеница, рожь). Общественность уже спохватилась, что значительные площади, где производилось продовольствие, коммерчески ориентированные земледельцы отдали под технические культуры. Поскольку население Земли растет и требуется все больше пищи, то использование этих площадей для производства биотоплива уменьшает количество доступных продуктов питания и увеличивает их себестоимость.

Биотопливо второго поколения производится из непищевого сырья. Источниками сырья являются лигноцеллюлозные соединения, остающиеся после того, как пригодные для использования в пищевой промышленности части растительного сырья удаляются. Для этой цели также могут быть использованы быстрорастущие деревья и травы (тополь, ива, мискантус, ятрофа и другие) [1, 3]. Их иначе называют энергетическими лесами или плантациями. Испытано около 20 различных видов растений — древесных, кустарниковых и травянистых.

Преимущество такого биотоплива заключается в том, что растения, из которых оно получено, не конкурируют с продовольственными культурами за землю. Они могут произрастать на склонах, холмах, в оврагах, а также на непродуктивных и вырождающихся землях, иногда даже с перспективой восстановления этих земель. Для их выращивания можно использовать минимальное количество воды, удобрений, пестицидов и техники. Каждые 4-7 лет деревья срезают, их годовой урожай может доходить до 7 тонн на гектар. В междурядьях можно дополнительно высаживать сельскохозяйственные культуры. Собранная биомасса используется для производства тепловой и электрической энергии, а также может служить в качестве сырья для производства жидкого биотоплива.

Энергетические плантации можно подразделить на несколько видов: плантации деревьев быстрого роста (эвкалипт, ива, тополь, осина, ольха, роза многоцветная); двудольные растения (артишок, топинамбур, сида); многолетние злаки (мискантус гигантский); однолетние злаки (сорго суданское, тростник обыкновенный).

В таких странах, как Италия, Германия, Аргентина, Польша, на сегодняшний день широко практикуется создание специальных плантаций быстрорастущих пород тополя и ивы (тополь черный — Populus nigra, ива ломкая — Salix fragilis, ива корзиночная — Salix viminalis). Ива приобрела в качестве биотоплива популярность и в скандинавских странах. Ее собирают каждые 3-4 года. В Северной Индии посадки быстрорастущего тополя и эвкалипта занимают примерно от 50 до 60 тысяч гектар. В Германии производительность энергетических лесов достигает 20 миллионов кубометров древесины в год.

В России пока энергетические плантации развиты слабо, в основном используются быстрорастущие деревья, такие как тополь или осина. К примеру, в Ленинградской области начаты работы по закладке плантаций осины на неиспользуемых сельскохозяйственных землях в Бокситогорском районе.

«Зеленое топливо» перспективно как ценный возобновляемый источник энергии. Так, например, в г. Зиммеринге (Австрия) находится крупнейшая в Европе электростанция, использующая древесную биомассу. Ее мощность составляет 66 МВт, а потребляет она ежегодно 190 тысяч тонн биомассы, собираемой в радиусе 100 км.

Мискантус или мискант (серебряная трава, слоновья трава, Miscanthus giganteus) — бамбукоподобная трава, которую уже несколько лет выращивают в Европе и Северной Америке. Она морозо- и засухоустойчивая. Растение вырастает высотой до 4 м и более, урожай ее можно собирать в течение 30 лет, не пересеивая поля. Мискантус может произрастать на бедной почве, практически не требует удобрений и хорошо растет во влажных условиях умеренного климата на всей территории США, Европы и Азии. При этом мискантус не истощает землю. Более того, из мискантуса можно добыть большое количество биомассы при весьма небольшой посевной площади, что выгодно отличает это растение от других культур. Урожайность мискантуса составляет до 10-12 тонн на гектар, что примерно эквивалентно 36 баррелям нефти. Выведены гибриды мискантуса с урожайностью до 60 тонн с гектара. Специалисты утверждают, что если засадить 10 % полей Европы мисканту- сом, то можно будет дополнительно выработать до 9 % электроэнергии.

Ятрофа ядовитая (джатрофа, Jatropha curcas L.) относится к семейству молочаевых. Известна, как многолетний древовидный сорняк, растущий на бедных сухих почвах, размножается черенками и легко распространяется с помощью семян. Встречается по всей планете, но особенно хорошо растет в странах с тропическим и субтропическим климатом. Содержание питательных веществ в почве не является главным фактором, влияющим на продуктивность ятрофы. Этот кустарник может расти практически на любой почве, даже на заброшенных и неиспользуемых землях. Плантации ятрофы имеются в Индии, Китае, Бирме, Никарагуа, во многих африканских странах, на Филиппинах и в Бразилии. Семена ятрофы ядовиты для человека и животных, но в них содержится до 40 % различных масел. Ятрофа имеет высокий выход масла из семян в сравнении с основными биодизельными культурами — соей и рапсом. С гектара посевов сои получают почти 400 кг масла для биодизеля, из рапса — 1 т, из ятрофы — 3 т. Европейские селекционеры работают над выведением новых высокомасличных, скороспелых и морозоустойчивых гибридов ятрофы ядовитой.

Камелина (рыжик посевной, рыжей, Camelina sativa) — масличная однолетняя трава. Род рыжик объединяет 10 видов, произрастающих в Европе и Азии в зонах прохладного климата степной и лесной областей. Может расти на полях, залежах, вдоль дорог. Посевной рыжик произошел от сорных форм, которые в диком виде в России встречаются повсеместно. Камелину можно сеять тогда, когда почва отдыхает от пшеницы и других зерновых в рамках севооборота. Выход масла у рыжика с 1 га составляет 490 кг (583 л). В семенах содержится 33-42 % масла, 25-30 % белков, витамин Е.

Таким образом, биотопливо второго поколения будет постепенно замещать биотопливо первого поколения, что связано с его большей экологичностью, производительностью, а также с тем, что оно вырабатывается из непищевого сырья. Россия, имеющая огромные площади земель, не пригодные для сельского хозяйства, может легко задействовать их для посадок энергетических растений с целью получения биомассы для биотоплива.

К сожалению, экономические, социальные и этические аспекты сдерживают развитие производства первых двух поколений биотоплива. Чем острее эти проблемы, тем больший интерес приобретает развитие третьего поколения биотоплива. Эффективной возобновляемой биомассой, для которой не нужны пахотные земли и пресная вода, являются водоросли. Это простые организмы, приспособленные к росту даже в загрязненной или соленой воде. Определяющими факторами для накопления биомассы водорослями являются:

интенсивность солнечной радиации;

температура воды;

наличие биогенных элементов;

концентрация углекислоты.

Водоросли преобразуют солнечную энергию и углекислый газ в дешевое и высокопродуктивное сырье для получения продуктов питания, биотоплива, кормов для животных и высокоценных, биологически активных веществ. То есть эти организмы обладают эффективным аппаратом биоконверсии солнечной энергии и являются ее природными биоаккумуляторами. Продуктивность микроводорослей по биомассе превышает продуктивность наземных растений [2, 3, 12]. Максимальные реальные величины прироста биомассы водорослей при интенсивности солнечной радиации 5623-7349 МДж на м2 в год (180-235 Вт/м2) составляют 38-47 г сухой биомассы с квадратного метра в сутки [19].

Водоросли включают в себя множество видов как одноклеточных, так и многоклеточных организмов. Они состоят из белков, углеводов, жиров и нуклеиновых кислот. Процентное содержание этих веществ зависит от вида водоросли. Некоторые штаммы водорослей идеально подходят для производства биотоплива благодаря высокому содержанию в них масла [11, 20]. Микроводоросли по потенциальному энергетическому выходу в 8-25 раз превосходят пальмовое масло и в 40-120 раз — рапсовое, что позволяет относить их к типичным представителям растительных масленичных культур. Существуют отдельные виды этих растений, содержащие до 40 % жирных кислот. Водоросли вида Botryococcus braunii способны до 61 % своей биомассы переводить в масло. Это масло может быть извлечено из водорослей и переработано в биодизель. Биотопливо, получаемое из водорослей, не содержит серы, нетоксично и хорошо поддается биоразложению. Преимущество получения биодизельного топлива из водорослей состоит в их высокой скорости роста и, следовательно, в высоком выходе биомассы на 1 га площади. Накопление жиров в водорослях при этом обычно происходит в условиях дефицита питательных веществ.

Десять преимуществ водорослей [3]:

водоросли представляют собой непищевую биомассу, использование которой для производства топлива не представляет угрозы продовольственной безопасности;

водоросли растут в 20-30 раз быстрее наземных растений (некоторые виды могут удваивать свою массу несколько раз в сутки);

они производят в 15-100 раз больше масла с гектара, чем альтернативные наземные культуры — рапс, масличная пальма, соя или ятрофа;

они не имеют жесткой оболочки и практически лигнина, что технологически делает их переработку в жидкие виды топлива более простой и эффективной, чем переработка биомассы из любого наземного сырья;

производство и использование водорослей в качестве биотоплива не требует изменения российского законодательства, как в случае с этанолом;

водоросли растут как в пресной, так и в соленой воде, в том числе и в промышленных стоках, где используются для очистки;

водоросли можно выращивать промышленным способом в биореакторах или фотобиореакторах, освещаемых искусственными источниками света, либо в открытых резервуарах на некультивируемых почвах, включая пустыни;

фотобиореакторы встраиваются в технологические линии уже существующих промышленных предприятий (ТЭЦ, нефтехимические производства, цементные заводы);

водоросли уменьшают эмиссию углекислого газа (поглощают до 90 % С°2);

водоросли также являются источниками масел, протеинов, углеводородов.

Особый интерес вызывает культивирование водорослей с использованием вторичных ресурсов. CO2 был и остается самым масштабным отходом промышленности. Водоросли могут использовать этот газ промышленного происхождения для своего роста и синтеза биомассы, поскольку процессы их метаболизма протекают более интенсивно при повышенных концентрациях углекислоты в среде. Таким образом, водоросли могут превращать углекислый газ из негативной проблемы в позитивный фактор, что открывает перспективы для улучшения экологической ситуации в мире.

Уникальными условиями для выращивания водорослей обладают сооружения по очистке сточных вод. Примером служит строительство ТЭС на Курьяновских очистных сооружениях (КОС), работающей на биогазе [5]. Биогаз получается после сбраживания осадка первичных отстойников очистных сооружений. В результате этого в перебродившем осадке не остается ни одной болезнетворной бактерии, и он может быть использован в качестве высококачественного удобрения. Если в схему ТЭС встроить биореактор с водорослями, можно дополнительно получать биомассу для топлива, максимально оптимизировав затраты, поскольку очищенная сточная вода является благоприятной средой для роста микроводорослей. Здесь круглогодично имеются все необходимые условия для фотосинтеза: теплая вода, биогенные элементы (в фильтратах сточных вод после очистки ее активным илом достаточно фосфатов и нитратов — веществ, загрязняющих реки), углекислый газ (образуется в результате окисления органического вещества и сжигания метана на ТЭС). Подача отходящих газов ТЭС в культуру микроводорослей существенно стимулирует их рост. При производстве 1 кг сухой биомассы водорослей потребляется: 1,9 кг СО2, 80 г азота и 13 г фосфора. Получаемая биомасса — сырье для ряда ценных продуктов: биотоплива, органического удобрения или корма для животных. Таким образом, могут быть решены две проблемы: утилизация отходов первичных отстойников очистных сооружений и получение биотоплива.

Другим возобновляемым источником являются собственно илы озер, состоящие из отмерших микроводорослей и продуктов их жизнедеятельности [15]. Красноярские ученые обратили внимание на этот бесплатный «склад» микроводорослей, который образуется естественно, без дополнительных затрат. Добывать илы специально для производства биодизеля затратно, но их достают со дна озера в экологических целях: для очистки. Каждые 15-20 лет для восстановления водной экосистемы положено вычерпывать и убирать донные осадки. Было предложено осадок, который является побочным продуктом природоохранных мероприятий, использовать в качестве сырья для биотоплива. Ученые изучили липидный состав полученного биодизеля: он оказался достаточно хорошим, по качеству соответствующим «Евро-4» и «Евро-5».

Технологический процесс производства биотоплив из водорослей практически безотходен. Сухие отходы биомассы после извлечения биомасла сохраняют все витамины и ценные вещества, поэтому могут быть использованы в качестве подкормки в рыбоводческих и животноводческих хозяйствах. Кроме того, возможно превращение их в еще один вид энергоносителей — топливные брикеты [2].

Можно отметить ряд потенциальных преимуществ производства биотоплива на основе фотосинтезирующих водорослей [2, 3].

В отличие от сырья для первого и второго поколений биотоплива в производстве биомассы из водорослей не используются ни плодородные почвы, ни пресная вода. То есть процесс выращивания микроводорослей не конкурирует с сельскохозяйственным производством.

Используемые для производства биотоплива водоросли высокопродуктивны (до 100 т/га в год).

Различные водоросли производят биомасла посредством естественного фотосинтеза, для которого требуется солнечный свет, вода и углекислый газ, а также питательные вещества.

Растущие водоросли используют углекислый газ, обеспечивая снижение объемов парниковых газов в атмосфере.

Водоросли вырабатывают больший объем биотоплива с занимаемых площадей, чем источники биотоплива на базе сельскохозяйственных культур.

Произведенное водорослями биомасло и конечное биотопливо имеют молекулярную структуру, аналогичную нефти и нефтепродуктам.

Полученное из водорослей биомасло может быть использовано для производства всего ассортимента топлива, включая бензин, дизельное топливо и топливо для реактивных двигателей.

При наличии финансирования технологии, доведенные до промышленного применения, могут принести в течение 2-2,5 лет значительный экономический эффект. Московская ТЭЦ-21 вырабатывает в год 9,1 млрд кВт-ч электроэнергии; полное использование выбросов CO2 для выращивания водорослей позволит производить жидкие энергоносители суммарной энергетической ценностью от 8 до 11,4 млрд кВт-ч/год [5]. Таким образом, использование биотоплива из водорослей может внести значительный, сопоставимый с производством электроэнергии, вклад.

К 2030 году объем производства биотоплива в мире может приблизиться к производству нефти [2]. Основой такого производства может стать биомасса водорослей, которые сейчас практически не используются или используются с малой эффективностью. Это объясняется высокой стоимостью даже простой системы производства водорослей. В настоящее время еще не развиты технологии получения массовой культуры водорослей, начиная от выбора высокопродуктивных штаммов водорослей, которые можно было бы стабильно поддерживать в открытых водоемах, и заканчивая низкой себестоимостью их сбора. Основная задача, которая стоит перед альгологами, — необходимость достижения значительной продуктивности биомассы водорослей с высоким содержанием растительных масел или других прекурсоров биотоплива, необходимых для покрытия


29-04-2015, 03:12