Введение
Тип биологического топлива
в основном жидкое или газообразное топливо, используемое для транспорта.
Биотопливо – это топливо, которое производится из биомассы за короткий промежуток времени, а не медленными естественными процессами, происходящими при образовании ископаемого топлива, такого как нефть. Биотопливо может быть получено из растений или из сельскохозяйственных, бытовых или промышленных биоотходов. Биотопливо в основном используется для транспорта, но также может использоваться для отопления и производства электроэнергии. Оценки влияния биотоплива на климат значительно различаются в зависимости от используемой методологии и конкретной ситуации. По прогнозам, к 2027 году мировое производство биотоплива будет обеспечивать 5,4% мирового потребления топлива для транспорта, включая 1% авиационного топлива. Наиболее распространенными видами биотоплива являются биоэтанол и биодизель. Бразилия является крупнейшим производителем биоэтанола, а Европейский союз – крупнейшим производителем биодизеля. Энергетическая ценность мирового производства биоэтанола и биодизеля составляет 2,2 и 1,8 ЭДж в год соответственно. Биоэтанол – это спирт, получаемый путем ферментации, главным образом из углеводов, содержащихся в сахаросодержащих или крахмалосодержащих культурах, таких как кукуруза, сахарный тростник или сорго. Целлюлозная биомасса, получаемая из непищевых источников, таких как деревья и травы, также разрабатывается как сырье для производства этанола. Этанол может использоваться в качестве топлива для транспортных средств в чистом виде (E100), но обычно используется в качестве добавки к бензину для повышения октанового числа и улучшения выбросов. Биодизель производится из масел или жиров с помощью процесса трансэтерификации. Он может использоваться в качестве топлива для транспортных средств в чистом виде (B100), но обычно используется в качестве добавки к дизельному топливу для снижения выбросов твердых частиц, угарного газа и углеводородов от дизельных двигателей.
Терминология
Термин "биотопливо" используется в разных значениях. Одно из определений гласит: "Биотопливо – это продукты биологического происхождения в твердом, жидком или газообразном виде. Они производятся из сельскохозяйственных культур или природных продуктов, таких как древесина, либо из сельскохозяйственных отходов, таких как меласса и багасса". В других публикациях термин "биотопливо" относят исключительно к жидким или газообразным видам топлива, используемым в транспорте. В Шестом оценочном докладе МГЭИК биотопливо определяется как "топливо, как правило, в жидкой форме, производимое из биомассы. К биотопливу относятся биоэтанол, получаемый из сахарного тростника, сахарной свеклы или кукурузы, и биодизель из рапса или сои". Далее в этом контексте биомасса определяется как "органический материал, исключая материал, который окаменел или заключен в геологические образования". Сахар, крахмал или масло преобразуются в биодизель или этанол посредством трансэстерификации или дрожжевого брожения.
Передовые биотоплива
Чтобы избежать дилеммы "пища или топливо", биотопливо второго и третьего поколений (также называемое передовым или устойчивым биотопливом, или биотопливом, пригодным для непосредственного использования) производится из сырья, которое не конкурирует напрямую с пищевыми или кормовыми культурами, например, из отходов и энергетических культур. Для производства передового биотоплива посредством биохимических и термохимических процессов можно использовать широкий спектр отходов, таких как отходы сельского и лесного хозяйства, включая рисовую солому, рисовую шелуху, древесную щепу и опилки.
Этанол
Биологически произведенные спирты, чаще всего этанол, реже пропанол и бутанол, производятся под действием микроорганизмов и ферментов путем ферментации сахаров или крахмала (производство из них проще) или целлюлозы (производство из нее сложнее). По оценкам МЭА, в 2021 году на производство этанола было использовано 20% мировых запасов сахара и 13% запасов кукурузы. Этанольное топливо – наиболее распространенное биотопливо в мире, особенно в Бразилии. Алкогольные топлива производятся путем ферментации сахаров, получаемых из пшеницы, кукурузы, сахарной свеклы, сахарного тростника, мелассы, а также любого сахара или крахмала, пригодного для производства алкогольных напитков, таких как виски (например, картофельные и фруктовые отходы и т.п.). Используемые методы производства включают ферментативное расщепление (для высвобождения сахаров из запасов крахмала), ферментацию сахаров, дистилляцию и сушку. Процесс дистилляции требует значительных затрат энергии для нагрева. Нагрев иногда осуществляется за счет использования неустойчивого ископаемого топлива – природного газа, однако в Бразилии наиболее распространенным топливом является целлюлозная биомасса, такая как багасса, а в Европе – пеллеты, древесная щепа и вторичное тепло. Производство этанола из кукурузы и других пищевых культур стимулировало разработку целлюлозного этанола.
Другие биоалкоголи
В настоящее время метанол производится из природного газа, невозобновляемого ископаемого топлива. В будущем предполагается его производство из биомассы в виде биометанола. Это технически осуществимо, но производство пока откладывается из-за опасений относительно экономической целесообразности. Метанольная экономика является альтернативой водородной экономике, в отличие от существующего производства водорода из природного газа. Бутанол образуется в результате ферментации АБЭ (ацетон, бутанол, этанол), а экспериментальные модификации процесса демонстрируют потенциально высокую чистую энергетическую отдачу при использовании биобутанола как единственного жидкого продукта. Биобутанол часто рассматривается как прямая замена бензину, поскольку он обеспечивает большую энергетическую ценность, чем этанол, и, как утверждается, может использоваться "в чистом виде" в существующих бензиновых двигателях (без внесения изменений в двигатель или автомобиль), он менее коррозионен и менее растворим в воде, чем этанол, и может распространяться по существующей инфраструктуре. Штаммы Escherichia coli также были успешно модифицированы для производства бутанола путем изменения их метаболизма аминокислот. Одним из недостатков производства бутанола в E. coli остается высокая стоимость богатых питательными веществами сред, однако недавние исследования показали, что E. coli может производить бутанол с минимальным добавлением питательных веществ. Биобутанол иногда называют биогазолином, что является неверным, поскольку он химически отличается – это спирт, а не углеводород, как бензин.
Биодизель
Биодизель является наиболее распространенным биотопливом в Европе. Он производится из масел или жиров с помощью трансэстерификации и представляет собой жидкость, схожую по составу с ископаемым/минеральным дизельным топливом. Химически он состоит в основном из метиловых (или этиловых) эфиров жирных кислот (FAMEs). Сырьем для производства биодизеля служат животные жиры, растительные масла, соя, рапс, ятрофа, махуа, горчица, лен, подсолнечник, пальмовое масло, конопля, полевой вьюнок, Pongamia pinnata и водоросли. Чистый биодизель (B100, также известный как "неразбавленный" биодизель) в настоящее время снижает выбросы до 60% по сравнению с дизельным топливом второго поколения B100. По состоянию на 2020 год исследователи из австралийского CSIRO изучали масло сафлора в качестве смазочного материала для двигателя, а исследователи из Центра передовых видов топлива Университета штата Монтана в США изучали характеристики этого масла в крупном дизельном двигателе, результаты которых были названы "прорывом". Биодизель может использоваться в любом дизельном двигателе и модифицированном оборудовании при смешивании с минеральным дизельным топливом. Его также можно использовать в чистом виде (B100) в дизельных двигателях, но в зимний период могут возникнуть некоторые проблемы с техническим обслуживанием и производительностью, поскольку топливо становится несколько более вязким при низких температурах, в зависимости от используемого сырья. Электронные системы типа "common rail" и "unit injector", начиная с конца 1990-х годов, могут использовать только биодизель, смешанный с обычным дизельным топливом. Эти двигатели оснащены многоступенчатыми системами впрыска с точной дозировкой и распылением, которые очень чувствительны к вязкости топлива. Многие современные дизельные двигатели разработаны для работы на B100 без изменения конструкции двигателя, хотя это зависит от конструкции топливной рампы. Поскольку биодизель является эффективным растворителем и очищает отложения, оставшиеся от минерального дизельного топлива, фильтры двигателя, возможно, потребуется заменять чаще, так как биотопливо растворяет старые отложения в топливном баке и трубопроводах. Он также эффективно очищает камеру сгорания двигателя от углеродных отложений, способствуя поддержанию эффективности. Биодизель является кислородсодержащим топливом, то есть содержит меньше углерода и больше водорода и кислорода, чем ископаемое дизельное топливо. Это улучшает сгорание биодизеля и снижает выбросы твердых частиц несгоревшего углерода. Однако использование чистого биодизеля может увеличить выбросы NOx. Биодизель также безопасен в обращении и транспортировке, поскольку он нетоксичен, биоразлагаем и имеет высокую температуру вспышки около 300 °F (148 °C) по сравнению с нефтяным дизельным топливом, температура вспышки которого составляет 125 °F (52 °C). Во многих европейских странах широко используется 5%-ная смесь биодизеля, которая доступна на тысячах автозаправочных станций. Во Франции биодизель входит в состав топлива, используемого всеми французскими дизельными транспортными средствами, в размере 8%. Avril Group производит под брендом Diester пятую часть из 11 миллионов тонн биодизельного топлива, потребляемого ежегодно Европейским Союзом. Это ведущий европейский производитель биодизельного топлива. В последнее время его производство осуществляется с использованием ряда термохимических процессов, таких как пиролиз и гидрообработка. В термохимическом процессе синтез-газ, полученный в результате газификации, биомасло, полученное в результате пиролиза, или биосырье, полученное в результате гидротермальной ликвидации, перерабатываются в "зеленый дизель" с использованием гидрообработки. Гидрообработка – это процесс использования водорода для реформирования молекулярной структуры. Например, гидрокрекинг, широко используемый метод гидрообработки на нефтеперерабатывающих заводах, применяется при повышенных температурах и давлении в присутствии катализатора для расщепления более крупных молекул, таких как содержащиеся в растительных маслах, на более короткие углеводородные цепи, используемые в дизельных двигателях. "Зеленый дизель" также может называться возобновляемым дизелем, биодизелем, гидрообработанным растительным маслом (HVO-топливом). Он не требует новых двигателей, трубопроводов или инфраструктуры для распределения и использования, но пока не производится по цене, конкурентоспособной с ценой нефтяного топлива. "Зеленый дизель" разрабатывается в Луизиане и Сингапуре компаниями ConocoPhillips, Neste Oil, Valero, Dynamic Fuels и Honeywell UOP, а также компанией Preem в Гетеборге, Швеция, создавая продукт, известный как Evolution Diesel.
Растительные масла
Немодифицированное пищевое растительное масло обычно не используется в качестве топлива, но для этих целей может применяться масло более низкого качества. Отработанное растительное масло все чаще перерабатывается в биодизель или (реже) очищается от воды и примесей, а затем используется как топливо. По оценкам МЭА, в 2021 году производство биодизеля потребовало 17% мировых запасов растительного масла. Получаемый продукт представляет собой углеводород с прямой цепью, обладающий высоким цетановым числом, низким содержанием ароматических соединений и серы, и не содержит кислорода. Гидрированные масла могут смешиваться с дизельным топливом в любых соотношениях. Они имеют ряд преимуществ по сравнению с биодизелем, включая хорошие эксплуатационные характеристики при низких температурах, отсутствие проблем со стабильностью при хранении и устойчивость к микробному воздействию.
Биогазолин
Биогазолин может быть получен биологическим и термохимическим способами. Используя биологические методы, исследование, проведенное под руководством профессора Ли Сангюпа в Корейском передовом институте науки и технологий (KAIST) и опубликованное в международном научном журнале Nature, использовало модифицированные бактерии E. coli, питаемые глюкозой, содержащейся в растениях или других непищевых культурах, для производства биогазолина с использованием полученных ферментов. Эти ферменты превращали сахар в жирные кислоты, а затем – в углеводороды, химический состав и структура которых были идентичны углеводородам, содержащимся в коммерческом бензине. Термохимический подход к производству биогазолина аналогичен используемым для производства биодизеля. Биоэфиры создаются из пшеницы или сахарной свеклы, а также могут быть получены из отходов глицерина, образующихся при производстве биодизельного топлива. Они также повышают эффективность работы двигателя, значительно снижая его износ и выбросы токсичных выхлопных газов. За счет значительного сокращения выбросов озона в приземном слое атмосферы они способствуют улучшению качества воздуха. В транспортном топливе используются шесть эфирных добавок: диметиловый эфир (DME), диэтиловый эфир (DEE), метил-трет-бутиловый эфир (MTBE), этил-трет-бутиловый эфир (ETBE), трет-амиловый метиловый эфир (TAME) и трет-амиловый этиловый эфир (TAEE). Европейская ассоциация кислородсодержащих добавок к топливу определяет MTBE и ETBE как наиболее часто используемые эфиры в топливе для замены свинца. Эфиры были внедрены в Европе в 1970-х годах для замены высокотоксичного соединения. Хотя европейцы по-прежнему используют биоэфирные добавки, Закон об энергетической политике США 2005 года отменил требование о включении кислородсодержащих соединений в состав бензина, что привело к уменьшению добавления MTBE в топливо. Хотя биоэфиры, вероятно, заменят эфиры, производимые из нефти в Великобритании, маловероятно, что они станут самостоятельным топливом из-за низкой энергетической плотности.
Биогаз и биометан
Биогаз – это смесь, состоящая главным образом из метана и углекислого газа, образующаяся в процессе анаэробного сбраживания органических материалов микроорганизмами. Другие незначительные компоненты этой смеси включают водяной пар, сероводород, силоксаны, углеводороды, аммиак, кислород, угарный газ и азот. Его можно получать как из биоразлагаемых отходов, так и с использованием энергетических культур, подаваемых в анаэробные реакторы для увеличения выхода газа. Твердый побочный продукт, дигестат, может использоваться в качестве биотоплива или удобрения. После удаления примесей из биогаза он называется биометан. Его также можно комбинировать с водородом в процессе метанирования для получения дополнительного метана. Биогаз можно извлекать из систем механической биологической обработки отходов. Свалкочный газ, менее чистая форма биогаза, образуется на полигонах в результате естественного анаэробного сбраживания. При попадании в атмосферу он действует как парниковый газ. В Швеции мусоросжигательные заводы улавливают биогаз из отходов и используют его для питания транспортных систем. Фермеры могут производить биогаз из навоза крупного рогатого скота с помощью анаэробных реакторов.
Сингаз
Сингаз, смесь монооксида углерода, водорода и различных углеводородов, образуется при неполном сжигании биомассы (сжигание с недостаточным количеством кислорода для полного превращения биомассы в углекислый газ и воду). Древесный газогенератор, реактор газификации, работающий на древесном топливе, может быть подключен к двигателю внутреннего сгорания. Сингаз может использоваться для производства метанола, диметилового эфира и водорода, либо преобразовываться посредством процесса Фишера-Тропша в дизельное топливо или смесь спиртов, которые могут добавляться в бензин. Газификация обычно требует температур выше 700 °C. Газификация при более низких температурах предпочтительна при совместном производстве биоугля, однако в результате получается сингаз, загрязненный дегтем.
Твердое вещество
Термин "биотопливо" также используется для твердого топлива, получаемого из биомассы, хотя это встречается реже. Топливо из водорослей обладает высокой урожайностью, высокой температурой воспламенения, может выращиваться с минимальным воздействием на запасы пресной воды, может производиться с использованием соленой воды и сточных вод, биоразлагаемо и относительно безопасно для окружающей среды при разливе. Однако для производства требуется большое количество энергии и удобрений, полученное топливо быстрее деградирует, чем другие виды биотоплива, и плохо перекачивается при низких температурах. К 2017 году, ввиду экономических факторов, большинство проектов по производству топлива из водорослей были заброшены или переориентированы на другие области применения. Биотопливо третьего и четвертого поколений также включает топливо, производимое с помощью биоинженерных организмов, таких как водоросли и цианобактерии. Водоросли и цианобактерии используют воду, углекислый газ и солнечную энергию для производства биотоплива. К недостаткам относится очень высокая стоимость культивирования организмов, производящих биотопливо.
Биоразборщики
Биодигестер – это механизированный туалет, использующий процессы разложения и осаждения для преобразования человеческих отходов в возобновляемое топливо, называемое биогазом. Биогаз может быть получен из таких веществ, как сельскохозяйственные отходы и сточные воды. Биодигестер использует процесс, называемый анаэробным сбраживанием, для производства биогаза. Анаэробное сбраживание использует химический процесс для разложения органического вещества с помощью микроорганизмов в отсутствие кислорода, в результате чего образуется биогаз. Процессы, участвующие в анаэробном сбраживании, включают гидролиз, ацидогенез, ацетогенез и метаногенез.
Объем производства и использования
В 2017 году мировое производство биотоплива составило 81 млн тне, что представляет собой ежегодный рост примерно на 3% по сравнению с 2010 годом. В 2017 году США были крупнейшим производителем биотоплива в мире, произведя 37 млн тне, за ними следуют Бразилия и Южная Америка с 23 млн тне и Европа (в основном Германия) с 12 млн тне. К 2027 году ожидается, что мировое производство биотоплива будет обеспечивать 5,4% мирового объема топлива для транспорта, включая 1% авиационного топлива.
Влияние на окружающую среду
Оценки воздействия биотоплива на климат значительно варьируются в зависимости от используемой методологии и конкретных рассматриваемых условий. В целом, биотопливо при сжигании в двигателе выделяет меньше парниковых газов и обычно считается углеродно-нейтральным, поскольку углерод, выделяемый при его использовании, ранее был поглощен из атмосферы выращиваемыми для производства биотоплива культурами. Выбросы парниковых газов могут варьироваться от 127,1 гCO2eq на МДж при использовании технологий улавливания углерода в процессе производства до значений, превышающих 95 гCO2eq на МДж, если изменение землепользования является существенным. Анализ жизненного цикла биотоплива первого поколения показал значительные выбросы, связанные с потенциальными изменениями в землепользовании, необходимыми для увеличения производства сырья для биотоплива. При отсутствии изменений в землепользовании биотопливо первого поколения в среднем может иметь более низкие выбросы, чем ископаемое топливо. В мировом масштабе 10% всего зерна перерабатывается в биотопливо. Сокращение использования зерна для производства биотоплива на 50% в США и Европе позволило бы заменить весь объем экспорта зерна из Украины. Ряд исследований показал, что снижение выбросов от биотоплива достигается за счет увеличения других негативных воздействий, таких как закисление, эвтрофикация, водопотребление и потеря биоразнообразия. Однако использование биотоплива второго поколения усиливает конкуренцию за лигноцеллюлозную биомассу, что повышает стоимость производства этих видов биотоплива. Биотопливо третьего поколения, производимое из водорослей, теоретически должно оказывать меньшее негативное воздействие на окружающую среду, чем биотопливо первого и второго поколений, благодаря меньшему изменению землепользования и отсутствию необходимости в использовании пестицидов при производстве. Однако анализ данных показал, что экологические издержки, связанные со строительством инфраструктуры и обеспечением энергопотребления для производства биотоплива третьего поколения, превышают преимущества от его использования. Европейская комиссия официально одобрила план поэтапного отказа от биотоплива на основе пальмового масла к 2030 году. Неустойчивое производство пальмового масла в сельском хозяйстве привело к серьезным экологическим и социальным проблемам, включая вырубку лесов и загрязнение окружающей среды. Производство биотоплива может быть энергоемким процессом, и если энергия для него производится из невозобновляемых источников, это может существенно снизить преимущества от использования биотоплива. В качестве решения предлагается снабжать предприятия по производству биотоплива избыточной ядерной энергией, которая может дополнить энергию, получаемую от ископаемого топлива. Это может стать экономически эффективным решением для снижения негативного воздействия производства биотоплива на окружающую среду.