Читать книгу Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз: Теория и практика - Евгений Панцхава - Страница 2

Сжигая уголь, практически сжигают только углерод [1-45]. При сжигании нефти на каждый атом углерода приходится два атома водорода, т. е. на каждый потребленный атом углерода нефти выделяется вдвое больше энергии, чем при сжигании угля. А это значит, что при полной замене нефти или газа на уголь его необходимо будет сжигать вдвое больше, что приведет к резкому увеличению углекислого газа в атмосфере. В 1958 г. количество углекислого газа в атмосфере составило 315 млн. т, а в 1980 г. 338 млн. т, т. е. увеличилось за 22 года на 7 %, тогда как в 1880 г. эта цифра составляла 290 млн. т, или за 100 лет концентрация CO₂ в атмосфере увеличилась всего на 15 %. Таким образом, темпы роста концентрации CO₂ в атмосфере с каждым годом увеличиваются, что приводит к усилению "парникового эффекта" и повышению температуры на земном шаре.

Температура атмосферы Земли увеличивается не только за счет усиления "парникового эффекта", но, как впервые указал на это лауреат Нобелевской премии, един из создателей отечественной атомной энергетики, создатель теории цепных реакций академик Н. Н. Семенов, и благодаря постоянно увеличивающемуся тепловому загрязнению.

Постоянное сжигание в огромных количествах ископаемых топлив или создание других мощных топливных носителей приводит к постоянному выбросу тепла в биосферу. Сегодня человечество за счет различных источников энергий производит до 5 10¹⁹ кал тепла в год, что составляет 1/20 000 часть падающей солнечной энергии на Землю или 1/5000 солнечной энергии, поглощаемой массой Земли. В среднем производство энергии увеличивается на 5 % в год. При таких темпах через 200 лет человечество будет производить столько же тепла, сколько дает Солнце, что скажется на изменении теплового баланса Земли. [1–2]

Рис. 1–1. Н.Н. Семенов. 1896–1986 гг.

Перегрев Земли на 3–4 °C может привести к серьезным негативным последствиям.

Какой же вывод следует из всего вышесказанного?

Существующим технологиям производства энергии необходимо противопоставить технологии, основанные на использования экологически чистой энергии, при сохранении круглогодичного баланса СО₂ в атмосфере и при минимальном тепловом загрязнении атмосферы.

В качестве таких основных источников энергии на Земле в будущем следует рассматривать, с одной стороны, ядерную, получаемую как в результате деления тяжелых ядер, так и синтеза легких, с другой – солнечную энергию [1–3].

Благодаря прямому использованию различных форм солнечной энергии (солнечного тепла и фотоэлектрического эффекта, энергии ветра и процесса фотосинтеза) можно избежать теплового загрязнения, твердых и газообразных выбросов в атмосферу, и существенно уменьшать потребление ископаемых топлив [1–4].

Преимущества использования солнечной энергии очевидны:

Во-первых, исключается тепловое загрязнение среды, потому что не выделяется дополнительная тепловая энергия. Единственным источником тепловой энергии служит Солнце.

Во-вторых, при использовании солнечной энергии исключается возникновение побочных продуктов и отходов. Использование солнечной энергий доступно повсеместно, что позволяет лучше использовать природную среду.

Ветровая энергия – производная солнечной энергии – также не загрязняет окружающую среду.

И наконец, продукт фотосинтеза – биомасса, конвертирование которой в топливо возможно несколькими путями, причем, некоторые из них самым тесным образом связаны с охраной окружающей среды.

Все перечисленные модификации солнечной энергии и ее производные не ограничены во времени и будут действовать, пока светит Солнце.

Очень тесно с проблемами современной энергетики смыкается другая стоящая сегодня перед человечеством проблема – это охрана окружающей среды. Успехи современной науки и техники достаточно наглядно демонстрируют, что эти две проблемы могут решаться одновременно. Речь идет о разработке научных методов и технологий получения энергии и топлива при одновременном решении вопросов, связанных с охраной окружающей среды из-за непрерывно поступающих в биосферу органических загрязнений.

Поэтому интенсивное и рациональное использование человечеством падающей на Землю экологически чистой солнечной энергии является одним из перспективных магистральных путей получения необходимой энергии и топлива. Важное место принадлежит биологический методам конверсии, При фотосинтезе энергия Солнца конвертируется а энергию химических связей органических веществ, соединяемых общим термином "биомасса". Термин "биомасса" охватывает все виды веществ растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности человека и животных, органические отходы перерабатывающей промышленности и сельского хозяйства.

Скрытую химическую энергию можно с помощью ряда биологических или термо-химиических процессов превратить в удобные для использования виды топлива или энергии. [1-45].

Топливно-энергетический комплекс России играет важную роль в экономике страны. На ее территории сосредоточено 1/3 мировых запасов природного газа, 1/10 нефти, 1/5 угля и 14 % урана. [1–1]. Через семь лет (2020 г.) добыча нефти в России может откатиться к уровню 2004 года, прогнозируют эксперты «Российской Газеты». Если в 2012 году уровень добычи нефти составил 518 миллионов тонн, то через пять-семь лет этот показатель может сократиться до 420–450 миллионов тонн. И это намного ниже, чем официальный прогноз [1-46]. Современные проблемы энергетики могут быть решены только при рациональном использовании всех существующих на Земле и околоземном пространстве источников топлива и энергии [1-45].

Биоэнергетика – фундаментальное и прикладное направление возникло на границе современных биотехнологий, химической технологии и энергетики, изучает и разрабатывает пути биологической конверсии солнечной энергии в топливо и биомассу и биологическую и термохимическую трансформацию последней в топливо и энергию[1-45].

Внедрение в народное хозяйство достижений биоэнергетических технологий прежде всего зависит от решения задач, связанных с интенсификацией процессов конверсии органического сырья в топливо и крупномасштабным производством самой биомассы.

Только при серьезном фундаментальном исследовании можно создать высокоэффективную отрасль народного хозяйства, отвечавшую воем требованиям современного научно-технического прогресса [1-45].

Почти треть населения Земли (около 2 млрд. чел.) все еще использует биомассу в виде древесины как основной источник топлива.

В любой форме биомасса является возобновляемым, единственным доступным, простым и дешевым источником энергии для большинства сельских жителей планеты. В Эфиопии, Непале, Танзании, в Сибири и Амазонии, в Северной Канаде и на островах Полинезии, Микронезии, в Малайзии благодаря биомассе удовлетворяется 80–90 % потребностей в топливе. Даже в таких развитых странах, как США, Швеция, Норвегия, Канада, доля энергии, получаемой из биомассы, в общем объеме энергии составляет 4-10 %.

Благодаря незаурядному потенциалу, сжатым срокам окупаемости проектов, экологическим преимуществам биомасса, вероятно, является одним из приоритетных видов среди других возобновляемых источников энергии в большинстве стран. В конце XX в. общий объем мировых первичных энергоресурсов составил около 8,5 млрд. т., из которых примерно 7 млрд. т. приходится на долю ископаемого органического топлива. Совокупно, энергетический потенциал всей растительности нашей планеты составляет около 70 млрд. т., т. е. в 10 раз превышает использование ископаемого топлива. Доля древесины, которую используют для получения энергии, составляет: в Дании – 61 % от общего объема вывозимой из лесов древесины, во Франции – 56 %, Испании – 44 %, Швейцарии – 56 %. В среднем в Европе темпы ее использования растут на 7,3 % ежегодно (в Швеции – 10,2 % в год, в Дании – 9,2 %, Франции – 8,9 %, Испании – 7,7 %).

Таблица. 1–1

Мировые запасы и добыча нефти и газа. Прогноз потребления к 2009 и 2050 гг.

Таблица.1-2

Запасы нефти [1-47]

Сейчас биомасса покрывает в среднем 15 % общего потребления первичных энергоресурсов в мире: в развивающихся странах – 48 %, в промышленно развитых странах – в среднем 2–3% (США – 3,2 %; Дания – 6 %; Австрия – 12 %; Швеция – 18 %; Финляндия – 23 %).

По оценке экспертов ООН численность населения планеты к 2050 г. может увеличиться до 9.2 млрд. человек. Если к этому времени потребление моторных топлив и природного газа на душу населения всей планетой возрастет до современного уровня Европейского Союза, то в год придется добывать до 18.3 млрд. тонн нефти или 16 % от разведанных к настоящему времени запасов, а природного газа – до 12 трлн. куб. м или 6.7 % от разведанных запасов. То есть нефти хватит на 6-10 лет, газа на 15–20 лет. (Таблица 1)

Хотя как показали исследования автора, нефти и газа может быть в десятки раз больше, чем разведано. Причина этому: несовершенство технологий нефте- и газоразведки, большие глубины залегания, отсутствие соответствующего оборудования.[2]. Такого же мнения придерживается ряд российских экспертов.

В статье «Кризис изобилия» Алексей Михайлов – эксперт Центра экономических и политических исследований (ЭПИцентр), отмечает, что «… объем энергоносителей-углеводородов ограничен, рано или поздно, если его сжигать, то он кончится. Но это только кажущаяся очевидность.[1-48].

Во-первых, разведанных запасов углеводородов при нынешних объемах добычи хватит: нефти и газа – на 50 лет, угля – на 500. А за эти 50/500 лет будут разведаны новые запасы… Из этой кастрюли, которую природа готовила нам сотни миллионов лет, еще черпать и черпать. Впереди шельфы, глубинное бурение, сланцы…

Мы за один нефтяной век только пенку сверху сняли.

Во-вторых, как это ни парадоксально, но именно вопрос с энергией самый легко решаемый.

Энергия универсальна, ее добывать можно почти из всего и передавать на расстояние не очень сложно и дорого. А Земля – принципиально разомкнутая система, она получает колоссальное количество энергии от Солнца, а кое-что – и от Луны. И напрямую – в виде тепла и света, и опосредованно – в виде ветра, текущей воды, приливов и т. д. И люди столетиями использовали эту энергию (например, ветряные и водяные мельницы).

Полный отказ от ископаемых источников энергии (ИИЭ, сегодня они дают 85 % мирового энергопотребления) и переход на возобновляемые (ВИЭ) – это вопрос не какого-то отдаленного футуристического будущего. Есть расчеты, что уже к 2030 году можно перевести 100 % мировой энергетики с ископаемого топлива на ВИЭ – ветер, вода и солнце. 50 % мировой энергетики будут давать 4 млн. ветротурбин.

В 2009 году в США свыше 50 % новых энергетических мощностей было создано за счет возобновляемых источников. В 2009 году инвестиции в новые возобновляемые источники энергии в мире превысили $150 млрд. Переход на возобновляемые источники энергии – это совершенно практический вопрос, отработанный технологически и связанный сегодня только экономическими ограничениями.

Как только ИИЭ станут достаточно дороги – переход произойдет автоматически. Он уже идет, несмотря на то, что пока еще ВИЭ недостаточно рентабельны и очень капиталоемки.

Совершенно прав был министр нефтяной промышленности Саудовской Аравии Заки Ямани еще в 70-е годы сказавший: «Каменный век закончился не потому, что в мире кончились камни. Также и нефтяной век закончится не потому, что у нас кончится нефть». Энергетический голод Земле не грозит. [1-48].

За последние 20 лет уровень добычи нефти в Штатах снизился: так, в 1972 г. он составлял 528 млн. т, в 1995 г. – 368 млн. т, а в 2000 г. – только 350 млн. т, что является следствием возросшей конкуренции между американскими производителями и импортерами более дешевой зарубежной нефти.

Из потребляемых 23 млн. б/с (1040 млн. т/год) в США добывается только 8 млн. б/с, а остальная часть импортируется – 680 млн. т/год. При этом США по-прежнему занимают второе место в мире по объему добываемой нефти (после Саудовской Аравии). Доказанные запасы нефти США составляют около 4 млрд. тонн (3 % от мировых запасов).[1-49].

В декабре 2012 г. чистый импорт нефти в США сократился до 5,98 млн. барр. в сутки (270 млн. т/год) – это самое низкое значение с февраля 1992 года. Чистый импорт нефти в Китай в декабре вырос до 6,12 млн. бар в сутки (277 млн. т/год), согласно данным таможни Китая. В 2012 году Китай увеличил импорт нефти на 6,8 % – до 271 млн. тонн – по сравнению с предыдущим годом.

Сейчас Россия является третьим по величине поставщиком сырой нефти в КНР и уступает по этому показателю только Саудовской Аравии и Анголе. Стремительное развитие китайской экономики неизбежно ведет к увеличению спроса на энергоносители. К 2015 г., полагают эксперты, спрос Китая на нефть может возрасти до 540 млн. тонн в год.[1-50].

Биоэнергетика считается основной тенденцией развития топливного рынка. Ожидается, что она в ближайшие 30–40 лет станет доминирующей в развитии мировой системы энергообеспечения. В связи с приближающейся угрозой истощения мировых запасов углеводородов в качестве основной тенденции развития топливного рынка международным экспертным сообществом заявлена биоэнергетика, которая должна стать фундаментом для начала новой эры энергетики. В ближайшие 30–40 лет именно биоэнергетика станет доминирующей в развитии мировой системы энергообеспечения.

Таблица. 1-3

Мировые запасы и добыча нефти и газа. Прогноз потребления нефти Китаем, Индией и Индонезией к 2020 – 2040 г.г.

Таблица. 1-4

Десять стран – лидеры, импортирующие нефть (млрд. баррелей 2006 г.).

[1-51].

Таблица. 1-5

Десять стран – обладатели крупнейшими доказанными запасами нефти (млрд. баррелей, 2006 г.)

Во второй половине ХХ века мир столкнулся с новой для себя экологической проблемой, которая может принять угрожающие формы. Это выбросы CO₂ в атмосферу Земли. Они составляют до 8 млрд. т ежегодно, из них экосистемы Земли способны поглотить лишь половину. Остальное накапливается в атмосфере и последствия этого пока не ясны. Однако очевидно, что столь грубое вмешательство в сложившуюся экосистему, когда нарушается экологическое равновесие, не останется безнаказанным для человечества.

В 1997 году 105 государств подписали в г. Киото протокол, направленный на уменьшение выбросов в атмосферу избыточного углекислого газа, образующегося при сжигании нефти, угля, ископаемого газа, а также продуктов их переработки.

Моторные топлива при сгорании вносят существенный вклад в нарушение баланса углекислого газа в атмосфере. Использование в составе моторных топлив компонентов, произведенных из возобновляемого сырья [1–1] и в первую очередь оксигенатов [1-2- 1–4] позволяет уменьшить его вредное воздействие на окружающую среду.

В 2003 году Европейская комиссия предложила директиву [1–5], которая поощряет государства, являющиеся членами Европейского Союза (ЕС), широко применять биокомпоненты в моторном топливе. В 2010 году планировалось довести содержание биокомпонентов в моторном топливе, поступающем на рынок ЕС, до 6,75 %.

Существующий парк автомобилей и транспортных средств, в которых используются стандартные двигатели, не позволит в ближайшее время начать применять моторные топлива, полностью состоящие из биокомпонентов, т. е. очевидно, что вырастет роль смесевых моторных топлив, часть которых будет изготовлена из нефти, а часть из возобновляемого сырья.

Использование не нефтяного сырья не только расширяет ресурсы топлив, но часто позволяет улучшить их экологические характеристики.

В качестве биотоплив наиболее широкое распространение получили биоэтанол и биодизель. [1-52].

Современное мировое сообщество стоит перед необходимостью решения нескольких глобальных проблем с целью создания в ближайшие десятилетия для каждого члена общества независимо от места его обитания достойных комфортных условий жизни и трудовой деятельности.

Особое место среди этих проблем занимают:

Экология. Каждый житель планеты имеет право на максимально полную экологическую безопасность, то есть быть обеспеченным чистой атмосферой (без вредных химических и тепловых выбросов), чистой водой (без различных вредных стоков) и чистой землей для получения экологически чистого полноценного и естественного продовольствия.

Необходимо:

• сохранить баланс диоксида углерода в кругообороте углерода в биосфере без излишних выбросов СО₂ и других парниковых газов (Метана) в атмосферу для недопущения теплового перегрева Земли.

• создавать такие производственные технологии в промышленности и сельском хозяйстве, которые бы минимизировали количество сточных вод и других отходов, и, в идеале, вели бы к созданию безотходных технологий.

2. Энергетика. Решение задач, поставленных в п.1 потребует резкого увеличения производства энергии. По мнению академика Е. Велихова в ближайшие 2–3 десятилетия потребление и, соответственно, производство энергии возрастет на 60 % от его мирового производства и потребления в начале 21 века. Увеличение производства энергии должно проходить на фоне создания экологически чистых энерготехнологий, повышения к. п. д. используемых топлив, создания новых постоянно возобновляемых источников топлива и энергии, полного перевооружения промышленности и сельскохозяйственного производства на энергосберегающее оборудование, машины и технологии.

3. Агрохимия и сельскохозяйственное производство. Обеспечение мирового сообщества экологически чистым продовольствием в соответствии с принятыми научно обоснованными нормами потребует:

• повышения урожайности всех без исключения основных продовольственных культур;

• повышения плодородия почв;

• постепенного повышения экологической чистоты почв;

• максимального перехода на применение экологически чистых высокоэффективных органических удобрений при минимальном использовании сбалансированных по каждому региону и почвам минеральных удобрений.

4. Решение социальных проблем. Экологическая безопасность и более высокая энерговооруженность человека должна привести к решению сложнейших социальных проблем (как в странах постиндустриального общества, так и в развивающихся странах):

• улучшение условий быта и труда;

• снижение смертности и доведение детской смертности до минимума;

• снижение заболеваемости;

• повышение продолжительности физиологической и умственной активной жизни.

Решение всех вышеперечисленных проблем и задач, поставленных мировым сообществом, тесно связано с энергичным развитием одного из современных направлений глобальной энергетики – биоэнергетики.

Биоэнергетика – или использование фотосинтезированной биомассы и продуктов ее технической и физиологической переработки и потребления – сопровождала и сопровождает человека в течение всей его эволюции. Именно биомасса и, в частности, ее сжигание и получение тепла, первый и важный шаг в эволюция и развитии homo sapiens.

Многие виды биоэнергетики известны человеку давно: сжигание дров, производство биогаза, производство древесного дегтя и древесного угля, производство спирта (вина).

Задачи современной науки и техники:

• превратить эти древние виды биоэнергетики в более энергоэффективные и рентабельные;

• создавать новые биоэнергетические технологии;

• получить новые виды биосырья для получения топлива и энергии;

• создавать новые энерготехнологии, сочетающие рациональное использование традиционных видов топлива и энергии с применением различных типов биомассы для производства экологически чистых видов тепловой и электрической энергии.

При условии, если к 30-50-м годам настоящего столетия в России электроэнергия и часть тепловой энергии будут производится АЭС, ГЭС и ВИЭ (ветер, вода, солнце, биомасса, приливы и т. д.), то двигатели внутреннего сгорания (мобильные и стационарные) будут, по-прежнему, использовать моторные топлива, в значительной степени получаемые из ископаемых углеводородов (нефть и природный газ).

К середине века потребление нефти в России на душу населения может достигнуть уровня США и тогда дефицит по нефти для РФ может составить более 300 млн. т в год. Этот недостаток необходимо будет заполнить производством альтернативных видов моторных топлив.

Современный мировой транспорт потребляет около 29 % всех энергетических ресурсов. 97–99 % общего потребления энергоресурсов всеми видами транспорта обеспечивается нефтью, причём до 49–50 % от расходуемых нефтепродуктов идёт на производство моторных топлив.

Таблица. 1-6

Нужна ли альтернативная энергетика России? Что Россия будет продавать и сколько нужно добывать нефти в 2030–2050 г.?

До конца текущего столетия двигатели внутреннего сгорания (ДВС) сохранят ведущую роль в транспортной энергетике [4]. То обстоятельство, что разведанные мировые запасы нефти ограничены и неравномерно распределены по различным регионам планеты, создаёт предпосылки для разработки промышленных технологий получения моторных топлив из сырья не нефтяного происхождения. Получаемое из нетрадиционных видов сырья жидкое и газообразное топливо для мобильных установок называют альтернативным моторным топливом [1–5]. Исследования в области производства и применения альтернативного моторного топлива в последнее время активно развиваются в разных странах мира.

Одним из видов альтернативного моторного топлива является биотопливо. Его получают в результате переработки различных видов биомассы – от древесины до отходов агропромышленного комплекса – методами механической деструкции, термохимии и биотехнологий с использованием технологий каталитического синтеза.

Биотопливо подразделяют на жидкое (для ДВС, например, биоэтанол, биометанол, биобутанол, биодизель, биобензин, биокеросин, ДМЭ), твёрдое (дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга, древесный уголь) и газообразное (биогаз – биометан, биоводород, син-газ).

Под биомассой понимается материал биологического происхождения: фотосинтез, далее флора и фауна, а также разнообразные органические отходы технологического, зоотехнического и физиологического происхождения. Поэтому одна из важнейших задач России заменить моторные топлива (бензин, керосин, дизельное топливо) и топочный мазут нефтяного происхождения на углеводороды биологического происхождения.

Современная биоэнергетика становится объектом большой политики.

Вопрос развития биотопливной индустрии становится все более актуальным. Предлагается следующая классификация сырья для производства биотоплива:

1) по источникам происхождения: биотопливо из продуктов и отходов лесопромышленного комплекса, биотопливо из продуктов и отходов агропромышленного комплекса и биотопливо из биологических муниципальных отходов;

2) по физическим свойствам вещества: твердое биотопливо, жидкое биотопливо и газообразное биотопливо.

К твердым источникам биотоплива относятся:

– твердые продукты лесопромышленного комплекса (ЛПК): лес, отходы деревообработки, твердые продукты агропромышленного комплекса (АПК): солома, стебли, жмых, лузга, биологическая часть твердых бытовых отходов (ТБО).

К жидкому биотопливному сырью относятся:

• жидкие продукты ЛПК: черный щелок, метанол, пиролизное масло;

• жидкие продукты АПК: сырые растительные масла, масляный эфир (биодизель), метанол, пиролизное масло из твердого агротоплива;

• жидкая часть биологических муниципальных отходов (иловые осадки сточных вод, пиролизное масло из твердых бытовых отходов).

Важное место среди различных видов жидкого биотоплива занимает моторное биотопливо для транспорта.

Из вышеперечисленных видов биотоплив с биотехнологией сопрягается только производства: этанола, бутанола, частично биоводорода, биогаза, свалочного газа и растительных масел.

Биоэнергетика за прошедшие 20 лет превратилась в мощный самостоятельный сектор мировой энергетики. По масштабам производства и применения в некоторых развитых странах превосходит использование всех других видов возобновляемой и альтернативной энергетики.

С точки зрения динамики и объемов потребления основными сегментами мирового рынка альтернативной энергетики являются биотопливо, солнечная и ветряная энергетика

Вклад биоэнергетики в энергобаланс таких стран, как США, ЕС, БРИК (кроме России), растет постоянно.

Около 90 % производственных мощностей биотоплива приходится на США, Бразилию и ЕС.

К 2030 г. в зависимости от региона биотопливо может занять от 10 до 30 % совокупного потребления энергии.

В ЕС производство тепловой и электроэнергии из биомассы к 2020 году возрастёт на 850 ТВт-ч (10¹² Вт. ч) по сравнению с 2007 годом до 1 650 ТВт-ч. Данный рост составит около половины всего текущего потребления энергии из угля.

Мировым лидером по использованию твердой биомассы для получения тепла и электроэнергии являются США. В 2007 году в США 42 ТВт-ч электроэнергии производилось из твердой биомассы. На втором месте – Япония (16 ТВт-ч), на третьем – Германия (10 ТВт-ч).

По состоянию на конец 2009 года в США насчитывалось около 80 проектов по использованию твердой биомассы для производства электроэнергии общей установленной мощностью 8,5 ГВт.

К 2010 году в ЕС насчитывалось около 800 электростанций на твердой биомассе (дереве, чёрном щёлоке и т. п.) общей мощностью около 7 ГВт, большинство из которых расположено в богатых лесными ресурсами странах Скандинавии, а также в Германии и Австрии.

Около 4 % электроэнергии в ЕС производится из древесных отходов. В 2010 году спрос на пеллеты в ЕС составил 11 млн. тонн, около 15 % из которых было импортировано из США и Канады. В период с 2008 по 2010 гг. США увеличило экспорт пеллет в ЕС более чем в два раза. В конце 2006 года спрос на пеллеты в США составил 1,4 млн. тонн – около 2 % всей произведенной в США электроэнергии (рост более чем в два раза по сравнению с 2002 годом). Основными потребителям пеллет в США является частный сектор и малые тепло- и электростанции.

Общее производство жидкого биотоплива в мире возросло с 16 млрд. л в 2000 году до 100 млрд. л в 2010 году. Жидкое биотопливо составляют около 3 % всего топлива для транспорта, а также достигает существенной доли в некоторых странах, наиболее активно развивающих данный сектор. В Бразилии в 2008 году доля использования биотоплива в транспортной сфере составила около 21 %, в США – 4 %, в ЕС – 3 %.

По оценкам МЭА к 2050 году доля биотоплива транспортной сфере может увеличиться до 750 млн. т. н. э. (по сравнению с текущим уровнем в 55 млн. т. н. э.) и составить 27 % всего транспортного топлива, позволяя уменьшить объемы выбросов транспорта на 20 % и сократить мировую зависимость от ископаемых видов топлива. (тн. э. – тонн нефтяного эквивалента)

Международное энергетическое агентство (МЭА) оценивает мировое замещение этанолом более 1 млн. баррелей нефтяного спроса в день.

Из всего производимого в мире этанола 80 % имеет топливное применение, 12 % – техническое и 8 % – пищевое.

В 2009 году производство этанола в мире составило 76 млрд. литров (рост на 10 % по сравнению с 2008 г., на 400 % по сравнению с 2000 г.). В 2009 г. ведущие места по производству этанола заняли США, Бразилия и ЕС. При этом на долю США (40,1 млрд. литров -54 %) и Бразилии (24,9 млрд. литров – 34 %) пришлось около 88 % мирового производства этанола.

Второе место из моторных биотоплив занимает биодизель, получаемый из растительных масел и метанола.

ЕС остается основным (около 50 %) производителем биодизеля в мире.

В США масштабы производства биодизеля на фоне этанольного бума выглядят намного скромнее, но прорабатываются программы по наращиванию объемов производства американского биодизеля.

Производство биодизеля в США в 2009 году составило 2.2 млн. м³ и осуществлялось в основном из растительных масел.

Важное место в программах развития биотоплив за рубежом занимает производство биогаза.

Лидером по производству биогаза является ЕС. В настоящее время европейский рынок биогазовых установок оценивается в 2 млрд. долларов США, по прогнозам он должен вырасти до 25 млрд. к 2020 году. В Европе 75 % биогаза производится из отходов сельского хозяйства, 17 % – из органических отходов частных домохозяйств и предприятий, еще 8 % – из отходов сточных вод (установки в канализационноочистных сооружениях).

Первое место по количеству действующих биогазовых заводов принадлежит Германии – в 2010 году их насчитывается более 9 000. Только 7 % производимого данными предприятиями биогаза поступает в газопроводы, остальное – используется для собственных нужд производителя. В 2007 г. объем электроэнергии, производимой с помощью биогаза, составил около 2,9 ТВт-ч. В перспективе 10–20 % используемого в стране природного газа может быть заменено биогазом.

В 2000 году мировой рынок биотоплив оценивался в сумме 866 миллионов $ США. И к 2013 году – 2.14 млрд. $ США.

Прогнозируется, что в следующем десятилетии около 18 млрд. $ будет инвестировано в:

1. Крупномасштабное производство электрической и тепловой энергии из биомассы – 13.9 млрд. $ или 78 %;

2. Производство биогаза 1.3 млрд. $ (7 %) (создание крупных централизованных заводов мощностью не менее 10 тысяч тонн перерабатываемого сырья и производству не менее 0.15 МВт тепловой, электрической энергии и топлива для двигателей).

3. Производство «лендфилл-газа» (свалочного газа из ТБО) – 2.7 млрд. $ или 15 % для получения тепловой и электрической энергии.

Итого, на производство биогаза – 4 млрд. $ США или 22 %.

Синтез-газ (син-газ), смесь газов, главными компонентами которой являются монооксид углерода СО и водород Н», которую можно получать в процессе термической обработки биомассы с использованием различных технологий. В настоящее время известно о нескольких инициативах по реализации проектов в области производства синтез-газа в некоторых странах, например в США, Европе, Японии, Австралии и Индии.

Важным дополнением к солнечной энергии и к одному из ее производных – биоэнергетике в недалеком будущем могут стать МЕТАНГИДРАТЫ, обилие которых найдено в океане. [1-42]. Метангидрат сосредоточен на глубинах от 500 до 2000 метров у берегов некоторых континентов, как правило, на крутых подводных склонах. Есть они в Арктике.

Рис. 1–2. Кусок метангидрата выглядит как грязноватый лёд

Рис. 1–3. Строение конгломерата – „ящичной“ псевдомолекулы, состоящей из кристаллической решётки льда и молекулы метана, находящейся в полости этой решётки

Метановый лед относится к так называемым „ящичным“ соединениям. В них не возникает химических связей между молекулами метана и молекулами воды. Метан размещается в пустотах кристаллической решётки водяного льда. Единичный конгломерат из воды и газа составляют 32 молекулы воды и 8 молекул метана. В одном кубическом метре этого вещества содержится значительно больше энергии, чем в кубометре природного газа (при одинаковом давлении). В ледовых пустотах одного кубометра метангидрата „запрятано“ 164 кубометра газа. Молекулы льда, а значит, и метана уложены здесь более плотно. [1-42].

Метангидрат образуется под давлением на глубине в порах донных осадков из органических веществ иловых осаждений, где они подвергаются анаэробному бактериальному разложению с образованием метана.[1-42]. По приблизительным оценкам, на планете хранится от 10 000 до 15 000 гигатонн углерода в виде метангидрата (гига равна 1 миллиарду).

Огромная масса запрятанного на глубине метана перекрывает по запасам все известные на Земле природные источники энергии. Вопрос только в том, как воспользоваться этим богатством?

Сегодня ещё нет отлаженной промышленной технологии добычи нового топлива.[1-42]. Соединённые Штаты, согласно перспективным расчётам, к 2020 году должны на 30 процентов увеличить потребление энергии. Готовы они использовать и метангидрат: конгресс страны отпустил 42 миллиона долларов на разработку программы включения нового топлива в энергетический баланс страны

Намечено, что к 2015 году начнётся эксплуатация прибрежных хранилищ Метангидрат.[1-42]. Особенно заинтересована в освоении добычи метангидрата Япония. Эта страна стремится освоить коммерческую, промышленную добычу. [1-42]. Бурение в Сибири и на Аляске показало концентрацию газа в порах льда от 50 до 80 процентов. Морские залежи крупнее, но там заполняемость газом равна примерно 20 процентам.

1. Метангидрат 10000

2. Уголь, нефть, газ 3500

3. Растительный мир 1400

4. Вода 980

5. Животный мир 830

6. Торф 500

7. Прочие63

Рис. 1–4. Содержание органического углерода (в миллиардах тонн) в запасах метангидрата и в традиционных резервах топлива

В России, в Сибири, есть месторождение Мессоякское – газовое поле, расположенное в вечной мерзлоте, – единственное место в мире, где обычный природный газ получают из метангидрата. Это довольно мощное месторождение, работающее уже много лет. От него проложен трубопровод до Норильска – крупного потребителя энергии. [1-42]. В отличие от вечной мерзлоты океанские запасы, как уже говорилось, состоят из двух частей: метанового льда, слой которого может превышать несколько сотен метров, и удерживаемого этим слоем газового пузыря.[1-42].