Биоэнергия, биоэнергетика… Сразу следует оговориться — речь не о «биополях» и прочей магии с экстрасенсорикой, а о возобновляемых биологических ресурсах энергетики.

Биоэнергия, биоэнергетика… Сразу следует оговориться — речь не о «биополях» и прочей магии с экстрасенсорикой, а о возобновляемых биологических ресурсах энергетики. Это древесина, торф, продукты жизнедеятельности сельскохозяйственных животных (попросту — навоз), отходы переработки сельскохозяйственных культур.

Леса занимают свыше 45% территории России, — это самый распространённый вид растительности в нашей стране. Фото Игоря Константинова.

В последние годы в России начали возрождать заброшенные торфоразработки. Фото Игоря Константинова.

Структура мирового потребления энергии в 2011 году.

Структура мирового потребления электроэнергии в 2011 году.

Технология получения биогаза. Органическая масса подаётся в резервуар — реактор, где идёт её сбраживание, или ферментация.

Экспериментальный модуль энергоустановки «Биосоляр» во время испытаний на Чёрном море.

Строго говоря, ископаемое углеводородное сырьё: уголь, нефть, газ — тоже следует отнести к биоресурсам. Однако, учитывая длительность процессов формирования их месторождений, эти ресурсы нельзя считать возобновляемыми, в отличие, например, от постоянно растущих травы и деревьев или даже торфяников.

С самого начала своей истории человек использовал биологический материал для приготовления пищи и обогрева. Собственно, это одна из ключевых отличительных черт Homo sapiens — добыча и использование огня, «сырьём» для которого были древесина, торф, кизяки.

Энергетика на биоресурсах доминировала на протяжении почти всей человеческой истории. Лишь в XVIII—XIX веках она стала постепенно сдавать позиции в пользу угля, а затем нефти, газа и других энергоносителей.

Но и сегодня, в XXI веке, дрова и хворост для приготовления пищи и обогрева жилья используют в мире 1,5 млрд человек — почти каждый четвёртый землянин.

В России, по данным российского Национального биоэнергетического союза, на древесину приходится 5% от общего объёма производства тепловой энергии. Главным образом, это обычные дрова. В качестве топлива их используют 5 млн российских семей, расходуя в год около 50 млн м³ дров. В Карелии и некоторых других лесных регионах доля дров в выработке тепловой энергии превышает 10%. В ряде северных стран и регионов активно используется торф. Во многих степных, прежде всего животноводческих, районах ключевую роль в обеспечении теплом до сих пор играет навоз.

В последние десятилетия биоэнергетика существенно изменилась, — исходное биологическое сырьё используется не напрямую, а перерабатывается в более высокотехнологичные энергетические продукты: биоэтанол, биодизель, древесные пеллеты (гранулы), щепу, брикеты; разрабатываются технологии получения топлива из водорослей и ила.

Много ли биоресурсов на земле?

Биоресурсы, пожалуй, наиболее сложный объект оценки. Они значительно различаются по своим энергетическим возможностям, и оценка общей биомассы сама по себе даёт немного информации (в отличие, например, от оценки запасов нефти). Помимо биомассы (масса всех живых организмов) для оценки биоресурсов чаще всего используют понятия фитомассы (общая масса растений), зоомассы (общая масса животных), биопродуктивности (прирост биомассы в единицу времени).

Основную часть биомассы составляет фитомасса, прежде всего это фитомасса земной суши — более 1,2 трлн т (с годовым приростом свыше 200 млрд тонн — это около 20 т на каждого землянина). Четверть этого объёма приходится на древесину. Отметим, однако, что лес восстанавливается в пять раз медленнее, чем фитомасса суши в среднем, и в десятки раз медленнее, чем луговая или степная растительность, обновляющаяся каждый год.

Сравнительно быстро растущий и восстанавливающийся ресурс — торф. Грубые расчёты показывают, что ежегодное воспроизводство запасов древесины (1,3 м³ на душу населения) и торфа (0,4 м³ на человека) может обеспечить 20% нынешнего душевого потребления энергии.

В нашей стране с биоресурсами дело обстоит ещё лучше. Ежегодный прирост древесины — около 1 млрд м3 (при общих запасах в России около 80 млрд м³, или 25% мирового объёма). В переводе на нефтяной эквивалент это около 200 млн т, или 20—25% всего потребления энергии в Российской Федерации.

Годовой прирост торфа в России при запасах 160—200 млрд т (до трети мировых запасов) — порядка 0,8—1 млрд т, или ещё 200—250 млн т в пересчёте на нефть. Другие биогенные источники энергии в России — отходы сельхозпроизводства, лесной промышленности, бытовые отходы и стоки — дают ещё 400 млн т.

В сумме ежегодный прирост биогенного сырья — более 500 млн т в пересчёте на нефтяной эквивалент. Отметим, что годовой объём добычи нефти в России — как раз около 500 млн т. Таким образом, в нашей стране биомасса может рассматриваться как потенциальная «вторая нефть».

На сегодняшний день фактическая доля биоэнергии в мировом энергообеспечении — 10% (не считая торфа). Это в 10 раз больше доли других возобновляемых источников энергии, вместе взятых.

При этом биотопливо — единственный из возобновляемых источников энергии, чья доля в энергобалансе за последние десятилетия не только не выросла, но даже сократилась — с 10,6% в 1973 году до 10,0% в 2011-м*. Другое принципиальное отличие биотоплива — использование его прежде всего для производства тепловой энергии.

В выработке электроэнергии сегмент, занимаемый биоресурсами, исчезающе мал (опять же, если не считать торфа), доля которого, однако, снижается. В частности, даже в традиционных «торфяных» странах Северной Европы в общем производстве энергии она составляет около 3% и до 5—7% в Финляндии и Ирландии (на эти две страны приходится около половины всей мировой добычи торфа).

Добыча торфа резко упала за последние 30 лет. Пик её приходился на 1984—1985 годы, когда ежегодно в мире его добывалось почти 400 млн т, из них более 20 млн т приходилось на Россию (РСФСР).

Сегодня общий объём добычи торфа в мире упал до 25 млн т, а в России — примерно до 1 млн т. Это, впрочем, отражает общую тенденцию в биоэнергетике — увеличение доли высокотехнологичных видов биотоплива (хотя и абсолютные объёмы производства энергии за последние 40 лет выросли втрое).

Новое биотопливо

Биотопливо новых поколений — это биогаз, биодизель, биоэтанол, топливные пеллеты. Исходное сырьё — навоз, технические, масличные и зерновые культуры, отходы растениеводства и лесопереработки, водоросли.

Получение биогаза — одна из наиболее простых технологий, известная достаточно давно. В ней в качестве сырья используют как навоз, так и другие органические отходы. Технология основана на разложении органических веществ без доступа воздуха (анаэробном разложении) с участием бактерий.

Биогаз на 50—75% состоит из метана, идентичного природному газу, остальное — углекислый газ, а также незначительные примеси водорода и сульфида серы. Используется он как для отопления, так и для выработки электроэнергии.

Производство биогаза из навоза даёт возможность помимо топлива получать органическое удобрение более высокого качества и более удобное в обращении по сравнению с самим навозом.

Биодизель — топливо на основе растительных жиров и масел. В качестве исходного сырья используют рапс (рапсовое масло считается оптимальным сырьём), подсолнечник, сою (наиболее популярна в качестве сырья для биотоплива в США), кукурузу и другие зерновые культуры.

Из сахарного тростника (основное сырьё для получения биотоплива в Бразилии), свёклы, картофеля, древесины получают биоэтанол.

Как дорого подобное топливо? Возьмём, к примеру, рапс. С 1 га посевов этой культуры можно получить около 1 т биотоплива в год. При затратах порядка $500 на 1 га только стоимость производства исходного сырья составляет более 50 центов на 1 кг, но ещё требуются затраты собственно на производство топлива. Таким образом, биотопливо пока остаётся сравнительно дорогим энергоресурсом даже при нынешних ценах на энергоносители. Главное его преимущество — относительная экологическая чистота. Кроме того, расходы можно частично оправдать, если, например, отходы производства из рапса — жмых — использовать в качестве корма для скота и для других целей.

Лидеры мирового использования биотоплива — Бразилия, на которую приходится почти половина мирового производства биоэтанола (более 15 млн тонн), США и Западная Европа (более 6 млн тонн биодизеля ежегодно).

Западноевропейские страны испытывают дефицит площадей для выращивания сельскохозяйственных культур и в последнее десятилетие рассматривают Россию и Украину как поставщиков сырья для производства биотоплива.

Топливные пеллеты (гранулы) и щепу получают из отходов лесопереработки и сельского хозяйства. В основе технологии — прессование измельчённой древесины, соломы, лузги.

Такие производства выгодно развивать на основе лесоперерабатывающих и сельскохозяйственных предприятий. Закономерно, что наибольшие объёмы изготовления этой продукции в странах с развитым лесопромышленным и сельскохозяйственным комплексом — в США, Канаде, скандинавских странах и России.

Наша страна в последние годы вышла в число мировых лидеров по производству древесных пеллет, с промышленными мощностями около 3 млн тонн в год. Но эта отрасль экономики ориентирована на экспорт даже в большей степени, чем нефтегазовая, — 80—90% пеллет Россия направляет в страны Западной Европы, а в последнее время — и Восточной Азии. Причина — слабость внутреннего рынка, связанная с низкой платёжеспособностью, неспособностью конкурировать с дешёвым природным газом и другими видами топлива и слабым развитием инфраструктуры. Стоимость 1 т пеллет достигает 200 евро (9—10 тыс. руб.) и выше. Для европейского рынка эта цена конкурентоспособна, особенно с учётом протекционистских мер (налоговые льготы и др.) для поставщиков экологически чистого топлива из возобновляемых источников энергии.

Наиболее перспективным источником биогенной энергии сегодня считают водоросли. Это не случайно. У них есть несомненные преимущества, в числе которых высокая продуктивность благодаря большому содержанию жира и большой скорости прироста биомассы. По данным специалистов лаборатории возобновляемых источников энергии географического факультета МГУ, с 1 га площади водной поверхности, занятой водорослями, в год можно получать 150 тыс. м3 биогаза, или более 100 т жидкого биотоплива. Такая продуктивность на два порядка (то есть в 100 раз!) выше, чем у рапса.

Водоросли не занимают сельскохозяйственных площадей, для их выращивания можно использовать не только естественные, но и искусственные водоёмы. Привлекательна возможность их комплексного использования, например, для производства пищевых добавок.

Отечественные реалии

Для нашей страны производство энергии из биогенных источников нового поколения — сравнительно недавняя история, и в этом деле мы заметно отстаём от развитых западных стран.

В частности, в Финляндии и Швеции доля древесной щепы и пеллет в производстве тепловой энергии достигает 50%, а в общем энергобалансе составляет около 20%. В России основным биоэнергетическим источником остаются дрова. Причина кроется в социально-экономическом разрыве между развитыми странами Запада и нашей страной. Заготовка дров — трудоёмкий процесс, почти не поддающийся автоматизации и при высокой стоимости рабочей силы невыгодный. В результате в России с дешёвыми трудовыми ресурсами для внутреннего потребления выгоднее заготавливать дрова, а в Швеции или Финляндии — использовать древесные пеллеты.

Приходится констатировать, что развитие биоэнергетики в России на данный момент идёт в общем русле экспортно-сырьевой специализации российского топливно-энергетического комплекса…

И всё же разработки в биоэнергетике у нас ведутся. Они начались ещё в советское время и активизировались в последнее десятилетие. Это относится и к водорослевой энергетике, и к производству топлива на основе древесины.

Так, специалисты лаборатории возобновляемых источников энергии географического факультета МГУ совместно с украинскими коллегами разработали энергосистему «Биосоляр», предусматривающую промышленное культивирование водорослей на больших водных территориях, в том числе морских, и снабжённую плавучими фотореакторами.

В 1980-е — 1990-е годы опыты с энергоустановкой в течение 10 лет проводили в Крыму (Кацивели) на базе Морского гидрофизического института НАН Украины. Исследования показали, что переработка водорослей в биогаз очень перспективна. Позже, в силу известных причин, мас-штабные эксперименты были свёрнуты, однако исследования не прекратили, и сейчас лаборатория перешла к разработке методов промышленного культивирования особых видов микроводорослей (хлореллы, спирулины, батриококус брауни). Эти одноклеточные водоросли содержат большое количество липидов, то есть максимально приближены к жидким моторным топливам.

В лаборатории собрана большая коллекция микроводорослей, и сейчас проводится скрининг в поисках наиболее эффективных штаммов, которые можно было бы культивировать на больших территориях.

В Иркутской области (г. Тулун) строится завод по производству топлива и моторных масел из древесных отходов. В Белгородской области реализуется Программа энергообеспечения сельского хозяйства с помощью биогазовых установок. Подобных примеров уже довольно много.

В последние годы вновь стали уделять внимание торфу: в ряде регионов приняты программы возрождения торфяной отрасли, когда-то развитой в СССР и сыгравшей важную роль в реализации плана ГОЭЛРО. Достаточно сказать, что в конце 1920-х годов около 40% электроэнергии в стране вырабатывалось именно на торфе.

Торф в последние десятилетия сдал позиции — и в России, и в мире — не случайно. У него есть ряд недостатков. Прежде всего, это менее высокая теплота сгорания, чем у ископаемых углеводородов. Кроме того, добыча торфа существенно зависит от сезона, а его использование как энергоресурса технологически сложнее по сравнению с газом или нефтью. Как следствие, торф оказывается более дорогим энергоносителем.

Развитие энергетики на торфе сейчас разворачивается в регионах, богатых данным видом сырья: во Владимирской, Кировской, Тверской, Архангельской, Ивановской, Псковской областях. Дополнительный интерес связан с возможностями комплексного использования торфа как сырья для фармацевтической и химической промышленности и в сельском хозяйстве.

Очевидно, что огромная территория нашей страны, гигантская площадь водоёмов, большие объёмы сельскохозяйственного производства, богатые лесные и торфяные ресурсы предполагают широкие возможности развития биоэнергетики. А вместе с ней — и развитие связанных отраслей, включая пищевую, фармацевтическую, химическую, с созданием инновационных научно-производственных кластеров.

«Наука и жизнь» о биоэнергетике:

Рохленко Д. Дрова для третьего тысячелетия. — 1999, № 11.

Мисников О. Ресурсы «Кладовой Солнца». — 2004, № 5.

Вешняковская Е. Торф как национальная идея. — 2011, № 4.

Комментарии к статье

* При этом абсолютный объём производства биотоплива увеличился в пересчёте на нефтяной эквивалент с 647,55 Мт до 1311,3 Мт.

Статьи по теме

• Биотопливо? Это не про нас
• ДРОВА ДЛЯ ТРЕТЬЕГО ТЫСЯЧЕЛЕТИЯ
• РЕСУРСЫ “КЛАДОВОЙ СОЛНЦА”
• Торф как национальная идея

№6, 2014