Биоэнергетика: от спирта до «мусорного топлива»

Опубликовано: 16 декабря 2010 г.
Рубрики:

Это наша четвертая статья из серии об альтернативных источниках энергии. Первые три были посвящены солнечной (№1, 2010 г.), атомной (№7, 2010 г.) и ветровой (№16, 2010 г.) энергетике.

 

От Хрущева до Обамы

Что только ни пили на Руси: сивуху, бормотуху, тройной одеколон и даже чудо-клей "Момент". Но самым элитным веселительным напитком был, конечно, спирт. Поскольку свободно он продавался только где-нибудь в Норильске, Воркуте и Магадане, то по всей стране неприхотливый потребитель охотно употреблял спирт в его не питьевом, а медицинском или техническом воплощении. Как-то в цеху одного завода я видел плакат с черным черепом-костями и предостережением: "Этанол — яд!", а под ним красовалась красная фломастерная приписка: "Пробовали — хорошо!"

Долгое время этиловый спирт (этанол) шел в основном на разные медицинские цели, в частности, на дезинфекцию хирургических инструментов, в технике он использовался, например, при обезжиривании электрических контактов. Вряд ли 30 лет назад многие футурологи могли предположить, что вожделенный продукт перегонки зерна, сахара и других растительных продуктов станет со временем одним из самых перспективных видов топлива для автомашин.

Ныне развитие биоэнергетики на основе этанола приобрело в США характер шумной кампании, активно поддерживаемой администрацией Белого дома. И это настораживает.

Только тот, кто большую часть своей трудовой жизни провел под прессом советской командно-плановой системы, способен разглядеть незаметные поначалу ростки социалистического сорняка, всходящие сегодня на плодородной почве американского капитализма. Только он может предчувствовать пагубность зачинаемых сверху очередных экономических кампаний. Это напрямую относится и к замене бензина биотопливом, полученным из специально выращенных полевых растений.

Первое в США применение этанола в качестве добавки к автомобильному горючему относится к 1970 году. Однако серьезный интерес к нему как к альтернативному виду энергии проявился на переломе столетий, когда цены на углеводородное сырье произвели очередной кульбит. А настоящий ренессанс биотоплива в США начался лишь после поездки Дж. Буша младшего в Бразилию (март 2007 года), давно уже занявшую первое место в мире по производству и потреблению автомобильного этанола.

В данном случае Буш уподобился Хрущеву, который, посетив в 1959 году США, привез оттуда пресловутую затею засеять кукурузой всю страну Советов, от казахстанской степи до таймырской тундры. Американский президент тоже сделал ставку на увеличение посевов этого знаменитого растения, причем, сразу в 2 раза. Кремлевский лидер свой кукурузный энтузиазм нацелил на насыщение желудков советских граждан, а глава Белого дома решил облагодетельствовать сытых американцев новыми автомобильными заправками с алкогольным газолином. Именно кукуруза, по мнению американского президента, должна была стать главной двигательной силой развития автодорожного транспорта.

Известно, что широко развернувшаяся поначалу советская кукурузная эпопея с уходом из власти московского "кукурузника" довольно быстро сошла на нет. А вот с приходом к власти в Вашингтоне социалистически ориентированного президента Барака Обамы кукурузно-этаноловая эпопея в США, наоборот, обрела второе дыхание. И ныне программа развития биоэнергетики, основанная в основном на применении кукурузного этанола, становится самой поощряемой федеральными власт ями. Государственные налоговые льготы производителям этилового спирта увеличены с 0,0013 до 0,0016 долларов за литр. Государственным субсидиям за 6 лет задуман рост с 2 до 3,8 млрд. долларов, под эти деньги щедро выделяются и многочисленные гранты на разработку новых технологий и рецептов по переработке зерна в спирт.

Согласно государственным "планам саженьим" годовое производство этанола из кукурузы в США должно вырасти более чем в два раза и в 2012 году составить 28 млрд., а в 2014 достигнуть 53 млрд. литров. Производство этанолового биотоплива сосредотачивается в штатах Среднего Запада, а одним из наиболее крупных его изготовителей становится компания Archer Daniels Midland, на долю которой приходится около четверти всего объема этанола. В стране уже работают 114 спиртовых завода, и их число предполагается увеличить до 195.

Чем же так привлекательна заправка автомобилей биологическим топливом? Во-первых, создаются условия для экономии углеводородного сырья. Например, применение так называемого "газохола", то есть, бензоспирта марки Е-10 (добавка 10% этанола) дает соответственно десятипроцентное снижение потребления чистого бензина. Во-вторых, вследствие более высокого октанового числа этаноловое горючие позволяет лучше удовлетворять экологические требования — чуть ли не на четверть уменьшить вредность выхлопных отработанных газов.

Кроме того, как и переход на всякие другие альтернативные энергоносители, биоэнергетика дает и так называемый "мультипликаторный экономический эффект". В данном случае он связан с необходимостью дополнительного развития инфраструктуры, строительства заводов, производства специальных материалов, в частности, химически защищенной стали для транспортных цистерн и вообще новых автомобильных двигателей. По поводу последнего следует отметить, что этиловый спирт обладает повышенной агрессивностью по отношению к металлу. Поэтому использование, например, этанола марки Е-85 (добавка в бензин 85 процентов спирта) для сегодняшнего парка автомашин уже недопустимо, нужны моторы из специального спиртоустойчивого металла.

Однако, все эти плюсы серьезно минусуются одним из главных недостатков биогорючего — его дороговизной. Это связано, главным образом, с большими производственными затратами. Ведь для того, чтобы получить этиловый спирт надо затратить немало полученного из нефти горючего. Основные затраты идут на выращивание кукурузы — каждый гектар пахотных земель требует 1324 литра дизельного горючего. Еще больше его необходимо для самого производства этанола — дробления зерна, его сушки, просеивания, брожения, перегонки и т.д. В результате получается, что дополнительные затраты на получение кукурузного этанола даже не компенсируются выделяемыми ныне на него субсидиями.

Однако, есть еще и географо-экономическая проблема, важность которой в администрации Белого дома почему-то недооценивают. Для массового применения автомобильного этилового спирта необходимо тотальное увеличение объема выращивания кукурузы. Ведь на получение всего 280 литров этанола нужно потратить целый кубометр этого продукта. А расход самого биотоплива далек до высокой экономичности — достаточно отметить, что автомобильный пробег 1 км пути требует заправки этанола на 20% больше, чем обычного бензина.

В настоящее время биотопливо, представляемое в основном кукурузным этанолом, удовлетворяет около 2 процентов американского спроса на автомобильное горючее. При этом на его получение уходит 13 процентов всего урожая кукурузы. А повышение этой доли всего до 3 процентов потребует уже 21 процент кукурузного производства. Если же весь транспорт США перевести на этанол, то придется расходовать 97 процентов всей кукурузы страны. Абсурд!

Волюнтаризм вашингтонских властей естественно привел к тому, к чему неизбежно ведут почти все навязываемые экономике плановые инициативы. Неограниченное расширение использования кукурузы в качестве сырья для изготовления биотоплива вызвало серьезный рост ее стоимости. За четыре года она удвоилась. Одновременно с этим соответственно выросли цены на мясо, молоко, яйца, курятину и другие продукты, так как кукуруза является основным кормом для скота и домашней птицы.

Почему же в Бразилии производство растительного этанола выгодно, а в США нет? Почему производство этилового спирта в Бразилии почти в 2 раза дешевле, чем в США? Ответ прост — сырьем для производства этанола в Бразилии служат не дорогие кукурузные початки, а дешевые отходы переработки сахарного тростника — так называемая "багасса".

 

Водоросли для биотоплива

 

Успешным конкурентом специального сельхозпроизводства для получения биотоплива могут служить природные растительные энергоносители. Особенно в этом отношении эффективны морские и речные (озерные, прудовые) водоросли — самые быстрорастущие растения на Земле. Они могут в определенных климатических условиях за сутки увеличивать свою массу в 2 раза!

Запасы такого естественного, практически неиссякаемого и постоянно возобновляемого корма для машин поистине неограниченны. Мировой океан без отпусков и выходных непрерывно работает как гигантский завод природы. Он ежегодно производит около 550 млрд. тонн биомассы. Особенно продуктивен планктон, который, обладая удивительной способностью интенсивно размножаться, ежедневно полностью возрождается.

Урожайность водорослей намного выше, чем у зеленой растительности суши. Так, ламинарии дают 25-30 тонн с каждого гектара водной поверхности, а донные буровые водоросли производят еще больше — до 230 тонн на гектар. У юго-восточных берегов США расположена самая богатая водорослями часть мирового океана — Саргассово море. Это район антициклонического круговорота вод в Атлантическом океане, ограниченный течениями: на западе — Гольфстримом, на севере — Северно-Атлантическим, на востоке — Канарским, на юге — Северным Пассатным. Только в одном Саргассовом море содержится 12-15 млн. тонн биомассы, что может полностью покрыть потребность для изготовления биотоплива в стране. Богаты возобновляемыми запасами зеленых водорослей и другие прибрежные зоны США, в частности, Мексиканский залив.

Некоторые предприниматели и инвесторы уже сегодня делают шаги в направлении использования даров моря. Например, американская компания Algenol Biofuels планирует построить во Фрипорте (Техас) завод по переработке сине-зеленых водорослей мощностью 380 млн. литров этанола в год. При этом, в отличие от кукурузного топлива, это автомобильное горючее будет выдавать в 5,5 раз больше энергии, чем потребуется для его производства, и стоимость его составит 30 центов за литр.

Использование дикорастущих водорослей значительно ограничивается географическими условиями, привязкой производства к тому или иному месту, иногда не очень удобному и экономически выгодному. Поэтому более широкие возможности дает выращивание водорослей в пресноводных озерах и прудах, которые имеются практически везде. Подсчитано, что акватория пресных вод площадью 200 тыс. гектаров способна обеспечить ежегодную заправку 5 процентов всего автомобильного парка США.

Затраты на прудовое строительство можно значительно снизить, если использовать уже готовые пруды-охладители теплоэлектростанций — они могут обеспечить 77 процентов всей потребности прудового выращивания водорослей. К тому же это намного расширяет географию производства водорослевого этанола, ведь для него нужна достаточно теплая вода круглый год. В противном случае для этого вида биотоплива остаются пригодными только южные штаты.

Большие возможности ныне предоставляет и генная инженерия. Например, с ее помощью фирма Joule Biotehnologies разработала метод создания нового поколения геномодифицированных сине-зеленых водорослей. Согласно новой технологии, основанной на применении фотосинтеза, можно будет изготовлять недорогое биотопливо в промышленных масштабах. Первый завод по производству такого автогорючего планируется пустить в 2011 году.

 

Бытовые отходы как энергоноситель

В стародавнее советское время мне как-то довелось познакомиться с одним научным сотрудником Академии коммунального хозяйства им. К.Панфилова. Он тогда только что приехал из ГДР и поразил меня рассказом о непривычной для нас коммерциализации бытовых отходов. По его словам каждый немец с раннего детства обзаводится специальной коробочкой, куда складывает обрезки от ногтей. За немалые деньги он сдает их производителям кошельков, сумочек, портсигаров. Точно также в парикмахерских остриженные волосы не выбрасываются, а собираются и идут на изготовление различных ковриков, подушек, панно, гобеленов, покрывал и прочих поделок.

Надо признаться, поначалу меня эта немецкая прагматичность несколько покоробила — память высветила фотографию аккуратно сложенных горок волос евреев, сожженных в крематориях Освенцима. Но потом я подумал, что в общем-то ничего особенно предосудительного в сборе и использовании отходов человеческой жизнедеятельности нет. Это мое представление укрепилось, когда я узнал, что в ФРГ предприятие по утилизации канализационных стоков очень быстро становится прибыльным. Из содержимого унитазов производится различное вторсырье и, что особенно важно для нашей темы, газ метан. Последний очень выгодно продается в качестве бытового энергоносителя, идущего на обогрев жилищ и приготовление пищи. Десятки тысяч кухонных плит в немецких домах варят сосиски на газу, выработанном из таких же сосисок, съеденных пару дней назад.

Одно из германских биоэнергетических чудес поражает воображение — в зоопарке Мюнхена слоны круглый год сами себя обеспечивают теплом и светом. Их экскременты сбраживаются, разлагаются и дают метан, снабжающий электроэнергией территорию самого слонового вольера и всех примыкающих к ней служебных помещений.

И там же, в Германии, некий фермер использует не живых, а мертвых животных (кошек, собак, птиц, останки которых собирает со всей округи), и производит из них биотопливо для своих сельскохозяйственных и транспортных машин. Уже несколько лет он совсем не покупает бензин, а 10 литров его собственноручно изготовленной биологической заправки хватает на 100 километров пробега его легкового автомобиля.

Однако все эти примеры относятся лишь к малой локальной биоэнергетике, удовлетворяющей запросы отдельных небольших энергопотребителей. А ведь важно было бы найти правильный путь использования этого вида альтернативной энергии в масштабе целой страны, региона или хотя бы города. И здесь на первое место выходит проблема использования гигантских свалок мусора, десятилетиями растущих вблизи жилых городских застроек и промышленных зон.

 

"Мусорное" биотопливо

В 90-е годы в поиске заказа на проведение экологических исследований я по ухабистой грунтовой дороге подъезжал к гигантской городской свалке бытовых отходов, находившейся в ближайшем пригороде Кирова (ныне Вятка). Чуть ли не в 2 километрах от нее носоглотку перехватил омерзительный запах гари и гнили, а глаза защипало от дыма. То, что я увидел через несколько минут, не могло сравниться ни с какой фантастикой киношного "Сталкера" Андрея Тарковского или офорта Сальвадора Дали. Это была широко распластанная черно-желто-серая гора мусора длиной в 2 футбольных поля и высотой с восьмиэтажный дом. Она светилась изнутри многочисленными бледно-кирпичными очагами лениво тлеющих огней, рядом с которыми чернели дымящиеся пятна глубоко выгоревших дыр.

Не знаю, убрали ли эту свалку теперь, но тогда она серьезно отравляла все вокруг не на один десяток километров. Опустели расположенные неподалеку деревни и городские предместья. Ядовитые смеси, смываемые с откосов свалки дождями и талыми водами, мутными грязевыми потоками стекали в реку Чепцу, откуда попадали в Вятку. Кроме того, на долгие годы оказывались загрязненными и непригодными для пользования колодцы с грунтовой питьевой водой.

Такие, как кировская, зловонные отрыжки современной урбанизации повсеместно отравляют жизнь не только россиян, но и американцев. К началу этого столетия в США дымилось около 6 тысяч городских свалок мусора, куда ежегодно сбрасывалось почти 75 процентов всех твердых бытовых отходов. При этом три четверти из них, как и в Кирове, никак не были изолированы. Поэтому массированно загрязняли все вокруг, в том числе реки и подземные воды. В наше время многие из них частично культивированы — оборудованы мусоросжигающими заводами или засыпаны землей.

Однако, ни то, ни другое не может служить экологической панацеей: при открытой изоляции мусора загрязняется среда наземная (атмосфера), при "закрытой" — подземная. Кроме того, оба они исключают вторичное использование бытовых отходов, которые, как мы уже знаем, могут быть весьма успешно утилизированы. Установлено, что около 30 процентов содержимого городских свалок, исключая только остатки металлов, стекла, пластика, вполне пригодно для получения биотоплива. Специалисты американской компании Solena подсчитали, что 500 тыс. твердого мусора дают 60 млн. литров этанола. На подходе и плазменная переработка мусора, когда он не сжигается, а подвергается расщеплению на молекулярные соединения.

В отличие от традиционной нефти и газа запасы мусорного энергоносителя практически неисчерпаемы. Каждый из нас ежедневно выдает в среднем 1 кг мусора, который за год собирается весом в 6 раз превышающим наш собственный. В масштабе большого города это становится эквивалентным целому нефтяному месторождению. Например, Нью-Йорк выбрасывает ежегодно 24 тыс. тонн отходов, причем каждый год эта величина растет не менее, чем на 10 процентов.

Поэтому, учитывая все возрастающий уровень потребления, а, следовательно, и объема отходов жизнедеятельности, можно предположить, что в перспективе "мусорное" биотопливо займет одно из главных мест в биоэнергетике США и всего мира.