CC BY
11дальнейшее развитие биоэнергетики требует новой концепции производства биомассы, более совершенных технологий переработки сырья и использования энергии конечными потребителями
Спирос Киритсис (Spyros Kyritsis),
Вице-президент Академии сельского хозяйства Греции
Академия сельского хозяйства Греции является некоммерческим учреждением, находящимся в подчинении Министерства аграрного развития и продовольствия страны. Задача академии состоит в том, чтобы способствовать прогрессу в области сельскохозяйственных наук и аграрного производства, уделяя особое внимание различным научным, техническим, экономическим, правовым и культурным аспектам. Профессор Спирос Киритсис в течение восьми лет занимал пост президента и вице-президента Европейского комитета Продовольственной и сельскохозяйственной организации Объединенных Наций (FAO) . Он является признанным экспертом в области применения возобновляемых источников энергии в сельском хозяйстве.
Введение
Мировой рынок производства и потребления топлив ископаемого происхождения отличается нестабильностью, в связи с тем, что с одной стороны на ситуацию влияют усилия крупных компаний в области освоения новых месторождений углеводородного сырья, снижения расходов, связанных с добычей, переработкой и доставкой конечному потребителю, с другой - политические игры ведущих держав. Это, безусловно, отражается на ценах на ископаемое энергетическое сырьё, чему мы являемся свидетелями, начиная с завершающих месяцев 2014 года.
Более того, имеет место сложная ситуация, связанная с проблемами новых нефтегазовых месторождений в открытом море, добычей сланцевой нефти и газа, необходимостью более безопасного сжигания углей и повышения эффективности использования топлив, которые усугубляются неготовностью государств договориться относительно путей прокладки распределительных нефтегазовых магистралей и т. д.
Вместе с тем необходимо принять во внимание следующие важные факторы , оказывающие влияние на энергетическую ситуацию: постоянное повышение эффективности использования источников энергии (безопасное сжигание угля, более экономичные автомобили и пр.), постоянно возрастающая стоимость извлечения топливных ресурсов и серьезное антропогенное давление на окружающую среду в результате добычи, переработки, распределения и использования ископаемого топливного сырья.
В этой ситуации международное сообщество предпринимает попытки заменить топлива
В ENERGY BULLETIN
Мировое производство электроэнергии с использованием ТВт>ч различных источников энергии в 2010-2035 гг.
_ уголь виэ — Газ
Нефть ядерная энергия
Рис. 1. Изменение и прогноз объемов мирового производства электроэнергии.
ископаемого происхождения возобновляемыми источниками энергии (ВИЭ) и другими химическими продуктами с целью улучшения окружающей среды, обеспечения безопасности энергообеспечения и достижения более значимых социально-экономических результатов. Ожидается, что ВИЭ займут доминирующее положение в мировом производстве электроэнергии уже в 20-х годах (рис. 1). Нет сомнения в том, что биомасса будет играть ключевую роль в достижении устойчивого энергетического развития человечества, но для этого оно должно прилагать усилия для прямой или опосредованной поддержки исследований и разработок в сфере эффективного производства и использования биомассы, предназначенной, прежде всего, для удовлетворения потребности в энергии.
I. Переориентация мировой экономики на применение возобновляемой биомассы вместо ископаемого энергетического сырья
1. Мировое производство биомассы должно обеспечивать как потребности в продовольствии/кормах, так и в альтернативном органическом сырье
Переход от господствующей в наше время концепции хозяйственной деятельности, в которой энергетика использует преимущественно ископаемое сырье, к устойчивой экономике, основанной на переработке возобновляемой биомассы, требует решения проблем устойчивости и снижения себестоимости. Однако наиболее важный аспект этого перехода состоит в том, что биомасса, предназначенная для выработки энергии, а также другие продукты ее переработки, пользующиеся спросом в настоящее время (лигнин, целлюлоза, сахара, растительные масла и животные жиры), составляют серьезную конкуренцию продукции пищевого и кормового назначения.
Структура мирового производства и потребления биомассы представлена на рис. 2. Ожидается, что доля биомассы, используемой в качестве энергоносителя, а также для производства прочих непищевых продуктов, будет неуклонно расти. Так, согласно оценкам Lux Research Inc: «В 2015 г. объемы производства биотоплив достигнут 200 млн. м3 при среднегодовом приросте 7,8%, а производство других продуктов из биомассы возрастет до 8,1 млн. т при среднегодовом приросте 17,7%.»[38]
2. Сценарии мирового потребления первичных источников энергии по версии Международного энергетического агентства (IEA ) и ожидаемое негативное влияние на окружающую среду (прогнозы IEA представлены на рисунке 2)
По одному из сценариев (сценарий 2DS) Международного энергетического агентства (IEA), для того чтобы предотвратить глобальное повышение средней температуры на 2° к 2050 г., планируется 50-процентное снижение выбросов CO2 к этому году, а к 2075 г. необходимо уменьшить эти выбросы на 100 %. Это тот сценарий развития, реализации которого готово способствовать практически все мировое сообщество. Согласно этому сценарию биомасса станет основным источником энергии в 2050 г.
мировое производство биомассы 170x109 т в год
потребление 6x109 т в год
62% Продовольствие
Целлюлоза 50-70x109 т в год
непищевое назначение 2,3x109 т в год
30% Древесина: энергия, бумага, мебель, стройматериалы
5% Непищевое использование: одежда, химикаты
Рис. 2. мировое производство и потребление биомассы.
Источник: European Polysaccharides Network of Excellence in Netherlands (Европейская сеть передовых технологий в области использования сахаридов, Нидерланды).
350
300
250
200
I 6DS2050 ■ 4DS2050 2DS2050
Нефть
ядерная энергия Гидроэнергетика Биомасса
ПричиеВИЭ
Рисунок 3. Соотношение различных источников энергии в Мировой энергетике в соответствии с прогнозами IEA, включая 2 DS.
3. прогнозы развития производства биото-плив для транспорта
В настоящее время биотоплива для транспорта производятся исключительно из сырья, выращиваемого на пахотных землях и имеющего пищевое/кормовое применение. Прогнозируется,191 что в 2050 г. сырье, производимое
во всем мире для приготовления моторных биотоплив, займет 3-4% от общей площади земель сельскохозяйственного назначения (6 млрд. га).
В планах развития топливной отрасли это в первую очередь относится к США, Бразилии и странам ЕС - здесь уделяется большое вни-
2009
150
100
50
0
2000 2015 2030
Рис. 4. Прогноз потребления моторных биотоплив в различных регионах мира.
Источник: IEA, World Energy Outlook 2009, p. 88.
мание постоянному росту доли биомассы в производстве энергии, моторных биотоплив и промышленных товаров. Предполагается, что широкое применение биотоплив начнется и в других регионах мира (рис. 4).
В то же время, современная концепция развития отрасли, проводимая в жизнь США и странами ЕС, суть которой состоит в том, чтобы «не использовать земли сельскохозяйственного назначения иначе как для производства пищевых продуктов и кормов», существенно усложняет реализацию этих сценариев и заставляет искать новые решения.
4. Возрастающая потребность в биомассе
На основании приведенных выше данных, учитывая то, что (постоянно увеличивающееся) население Земли, по оценкам демографов, достигнет 9 млрд. к 2050 г., а также принимая во внимание рост стоимости ископаемого сырья, следует заключить, что для общества весьма актуальной задачей является поиск приемлемого решения, которое позволит в будущем удовлетворять прогнозируемый огромный спрос на биомассу. Большой ассортимент разнообразной биопродукции (рис. 5) уже нашел свое достойное место на мировом потребительском рынке, который постоянно расширяется.
Таким образом, постоянно растущий спрос на пищевое и кормовое сырье, а также на сы-
рье для производства иных товаров вызывает необходимость вовлечения в хозяйственную деятельность любых доступных видов биоорганических материалов с целью производства продукции, характеризующейся более высоким технологическим уровнем и отвечающей концепции устойчивого развития, что в идеале означает полное отсутствие органических отходов.
Сегодня можно найти множество примеров многолетних усилий, подтверждающих систематичность подхода к решению данной задачи. Среди них можно, в частности, отметить успехи биотехнологической конверсии («ЫогеАпег1еБ») для безотходного производства биотоплив, биохимических материалов, продуктов питания и кормов с использованием всех компонентов исходной биомассы.
Заметным результатом усилий в этом направлении является выход различных видов продукции, выпущенной с применением «зеленых» технологий на мировой рынок, оцениваемый в настоящее время в триллион долларов США[5]. (Мировой объем продуктов биосинтеза уже в 2010 г. достиг уровня 2,1 млрд. долл., а в 2016 г. ожидается его увеличение до 3,8 млрд. долл.)
Учитывая вышесказанное, можно сформулировать следующие первоочередные задачи, стоящие перед наукой в данной области:
- В первую очередь, решить проблему доступности биоорганического сырья, что означает возможность производства биомассы в достаточных объемах и при низкой себестоимости, не создавая конкуренции пищевой отрасли и производству кормов.
- Разработать экономически эффективные новые технологии преобразования органического сырья в востребованную на потребительском рынке продукцию энергетического и другого промышленного назначения, обеспечив при этом более высокую энергетическую эффективность ее использования.
- В самом ближайшем будущем разработать технологии рентабельного производства возобновляемых химических продуктов, в том числе топлив, без использования биомассы.
— Медикаменты Биото плива
/ ^бад / — Биополимеры Волок масса + нистая - бумага
/ / Пищевые / / (сахар, кра продукты хмал, и т.п.)
..............................................7.......>.........
т
100
10 000 1 млн
Мировое производство, т/год
100 млн
10 000 млн
Рис. 5. мировое производство биоорганической продукции в 2009 г.
Источник: вгопдгоЛ и Ми1ег-1_апдег, 2009.
100
10
0
4.1. исследования наличия биомассы
Для того чтобы обеспечить наличие биомассы, научные исследования должны быть переориентированы или активизированы по следующим направлениям, связанным с производством органического сырья:
- комбинирование производства продовольствия/кормов с альтернативными методами использования биомассы;
- повышение продуктивности малоплодородных земель для производства биомассы технического применения;
- использование подводных пространств для выращивания биомассы;
- использование твердых и жидких органических отходов в качестве сырья;
- максимальная утилизация отходов сельского хозяйства, лесозаготовок и деревообработки в качестве органического сырья;
- полное безотходное использование всех органических компонентов любого сырья;
- использование растительных масел и животных жиров, не относящихся к пищевому/кормовому сырью;
- повышение продуктивности биомассы на малоплодородных землях путем применения новых видов растений и гибридов;
- повышение эффективности использова-
ния биоэнергии в развивающихся странах (представляющих рынок, составляюший 9% от общей мировой потребности в энергоресурсах)1391.
Необходимо иметь в виду то, что использование малоплодородных земель, а также отходов сельхозпроизводства и древесины для получения биомассы лигноцеллюлозы, с целью избежания конкуренции с производством биомассы для продовольствия и кормов, сопряжено с такими проблемами как:
- Ограниченная способность малоплодородных земель воспроизводить лигноцеллю-лозное сырье в больших объемах, учитывая например то, что «1 га площади, на которой посеяна кукуруза, дает урожай, достаточный для приготовления 4,7 м3 биоэтанола и 3,26 т кормов, в то время как с 1 га малоплодородной земли можно собрать объем биомассы для приготовления всего лишь 1,12 м3 этанола и весьма ограниченное количество биомассы, пригодной на корм скоту». То же относится к продуктивности по биомассе, предназначенной для получения биогаза путем анаэробного сбраживания.
- Высокие капитальные затраты и, как следствие, высокая себестоимость биотоплив
Таблица 1. Стоимость различных видов моторного биотоплива и сырья, производственные затраты и доходы от реализации побочной продукции.
вид Сырье регион год Объем, стоимость Произв. Доход от Полная Полная биотоплива производ- млн. л/год сырья, затраты побочной стоимость, стоимость, ства долл./ГДж (кап.+ продукции, долл./ГДж долл./л экспл.), долл./ГДж долл./ГДж
Стандартный биоэтанол сахарный тростник Бразилия 2008 250 7.7 7.0 0 14.7 0.31
Рожь США 2008 250 29.4 6.0 0 35.4 0.75
сах. Свекла Великобритания 2008 250 21.6 11.0 8.2 24.4 0.52
пшеница Великобритания 2008 250 36.2 10.5 6.0 40.7 0.87
Кукуруза Франция 2008 250 29.3 10.5 5.0 34.7 0.74
Стандартный биодизель Соя США 2008 220 100.6 4.2 55.6 49.2 1.63
соевое масло Бразилия, Аргентина 2008 220 22.6 2.7 1.7 23.5 0.78
Рапс Великобритания 2008 220 35.6 4.2 11.3 28.5 0.94
рапсовое масло Франция 2008 220 40.5 2.7 1.7 41.4 1.37
пальмовое масло Индонезия, малайзия 2008 220 25.1 2.7 1.7 26.1 0.86
жир Великобритания 2008 220 13 4 2 15.3 0.51
Гидролизный этанол целлюлозное сырье Великобритания 2015 90 14 14 0 28.0 0.60
2022 360 14 10 0 23.5 0.50
Синтетическое ДТ целлюлозное сырье Великобритания 2015 80 12 17 0 29.5 1.01
2022 280 12 8 0 20.0 0.69
Источник: Б^есИ (2007)
второго поколения, таких как гидролизный биоэтанол и синтетическое дизельное топливо (таблица 1).
- Опасность нарушения лесных экосистем в глобальном масштабе.
- Рост конкуренции по отношению к традиционно сложившимся технологиям энергетического использования древесины (производство тепловой и электрической энергии).
Ниже рассматриваются некоторые области исследования, которые могут способствовать развитию новой концепции обеспечения наличия биоорганического сырья.
1) Вовлечение в оборот территорий, занятых водой, для производства водорослей.
Для успешного развития этого направления очень важно[1], чтобы в ближайшие несколько лет происходил рост рынка биотоплива на 3% ежегодно, что позволит достичь общего объема 1,6 млрд. долл. в 2015 г. (для сравнения, в 2010 г. он составлял 271 млн. долл.). В этой области необходимо проведение более интенсивных исследований для того, чтобы обеспечить производство значительно более дешевого сырья путем использования преимущественно новых видов водорослей и экономически эффективных производственных процессов.
500
200
Побережье Континентальные Орошаемые в пустынной засоленные земли
зоне почвы
Тип пахотной земли
Общая площадь
Рис. 6. неиспользуемые земли, пригодные для орошения соленой водой (данные Е. Тлена и С. Нельсона).1451
дованиях142,461 с многолетними злаками, невосприимчивыми к повышенной концентрации солей, показали, что некоторые виды (такие как: Иа!оругит тисгопаШт, □еБтопБ:асИуа Ьрппа:а, Ргадт^еБ кагка, ТурИа ^ттдепБ|Б и Ратсит Шгд^ит), встречающиеся в природе в прибрежной зоне Пакистана, обнаруживают высокую продуктивность по лигноцеллюлозе высокого качества (26-37% целлюлозы, 24-38% гемицеллюлозы и менее 10% лигнина), в силу чего могут успешно культивироваться на засоленных землях или/и при поливе водой с повышенным содержанием солей.
В недавнем времени ряд крупных авиационных компаний в сотрудничестве с научно-исследовательскими организациями и Научно-технологическим институтом Абу-Даби провели эксперименты с солеустойчивыми растениями, семена которых содержат масла. Проводятся работы по получению авиацион-
ного топлива из этих компонентов. Аналогич-
2) Культивирование галофитов. ные экспериментальные исследования осу-
Растения, получившие название «галофи- ществляются на песчаных почвах при поливе
ты», способны произрастать на засоленных водой, в составе которой присутствуют жидкие
почвах и даже на плантациях, орошаемых отходы, из водоема по выращиванию рыбы и
соленой или минеральной водой. Согласно креветок1441.
результатам последних исследований, такие Определенные предварительные ре-
растения внушают больше оптимизма отно- зультаты достигнуты в изучении процессов
сительно перспективы их практического ис- анаэробного сбраживания биомассы галофи-
пользования, чем ожидалось в соответствии тов (Kalidium caspicum, Salicornia europaea и
с выводом Алехандро Риоса, директора «Кон- Climacoptera janata) в поточном режиме, обес-
сорциума по исследованиям в области воз- печивающем возможность получения пример-
обновляемой биоэнергетики»1441. Благодаря но 300-500 мл метана из 1 л жидкой массы в
особенностям клеточного строения, эти расте- сутки1411.
ния могут применяться с большей эффектив- Возможность культивирования биомассы
ностью в качестве биотопливного сырья, чем непищевого/кормового назначения с исполь-
другие культуры. Семена некоторых из них зованием галофитов представляет исключи-
содержат масла, другие могут производить би- тельно большой интерес, поскольку во всем
омассу, пригодную для приготовления спиртов мире имеются огромные площади неисполь-
или получения биогаза. зуемых земель, которые могли бы орошаться
Исследования по разведению в Израиле ра- соленой водой (рис. 6). стений пустынного ореола (таких, как Tamarix spp) в суровых условиях засушливого климата при поливе регенерированной сточной водой и водой с повышенным содержанием солей1431 показали возможность получения годового урожая биомассы 26-52 т/га, что практически сравнимо с производительностью плантаций быстрорастущих культур на плодородных землях. В других экспериментальных иссле-
3) Снижение потерь сельскохозяйственных и древесных отходов.
Примерно 50% стоимости органического этого растительного сырья приходится на его сбор, транспортировку и разгрузку. Расходы могут быть сокращены на 20% на каждом из этих этапов путем применения современных технологий прессования (т.е. благодаря исполь-
400
300
100
0
зованию более крупных плотно упакованных тюков), в которых применяются специализированные полевые агрегаты, обеспечивающие повышение плотности упаковки на 30%.
Кроме того, расходы, связанные с хранением (составляющие в настоящее время 25% от суммарных затрат) могут быть снижены на 90% в случае, когда хранение осуществляется не в помещениях, а на внешних площадках, соответствующим образом защищенных от воздействия осадков (например, с помощью сводов из пластика). Современная практика показывает, что капитальные затраты на возведение хранилищ составляют значительную долю от общей суммы затрат при организации хранения сельхозпродукции.
4) Использование твердых и жидких органических отходов.
Эти два, отличных по своим физическим свойствам вида органических отходов, требуют применения различных технологий переработки. Твердые отходы могут быть конвертированы в тепловую (или тепловую и электрическую) энергию с применением термохимических технологий, таких как прямое сжигание или газификация. Термохимической переработке может быть также подвергнута органическая масса, полученная в результате анаэробного сбраживания жидких отходов. Как правило, эти методы переработки изначально характеризуются относительно низкими капитальными и эксплуатационными затратами, однако ситуация резко меняется когда требуется снизить выбросы вредных газов и организовать безопасную утилизацию шлаков и других собранных остатков. В этом плане основная задача состоит в том, чтобы перерабатывать органическое сырье, прошедшее цикл очистки от вредных компонентов.
Универсальной технологией для переработки обоих типов отходов является анаэробное сбраживание, представляющее собой развивающееся направление биотопливной отрасли, набирающее все большую популярность, поскольку позволяет получать энергию, одновременно способствуя охране окружающей среды от загрязнения отходами, а также получать воду и удобрения, необходимые для растениеводства.
Примеры крупных компаний, имеющих дело с новой технологической концепцией анаэробной переработке твердых компонентов (от применявшегося ранее метода получения метана путем захоронения органических отходов в полевых условиях следует отказаться) можно найти в Испании, где имеется предприятие, осуществляющее переработку твёрдой органики с помощью бактерий, способных вырабатывать жирные кислоты, из которых, в свою очередь, можно изготавливать биотоплива!381.
5) Поиск новых видов растений и создание гибридов.
Работы в этом направлении могут дать положительные результаты в плане расширения сырьевой базы отрасли за счет освоения перспективных видов биомассы, что особенно важно для регионов с умеренным климатом. Под «перспективностью» органического сырья определенного вида здесь понимаются аспекты, относящиеся к экологической и социально-экономической устойчивости развития, низкая себестоимость и отсутствие конкуренции продовольственным и кормовым культурам. На основе этих новых видов растений и гибридов мы сможем производить целлюлозу и лигнин биотопливного назначения, корма для животных или иные биопродукты.
Далее речь пойдет о конкретных видах растений, которые доказали свою способность производить в сухом теплом климате биомассу, отвечающую перечисленным выше требованиям.
а) Агава (Agave sp).
До недавнего времени агава была известна исключительно как сырье для производства волокна и мексиканской водки (текилы). Однако особого внимания заслуживают такие ее свойства, как невероятно высокая урожайность и содержание сахара, приспособляемость к засухе и способность расти на истощенных землях. Эти свойства обеспечивают растению хорошие перспективы в плане использования полученной из него биомассы, даже для производства авиационных устойчивых биотоплив.
Некоторые виды агавы обладают набором свойств, удивительным образом отвечающих
В ENERGY
BULLETIN № 19, 2015
Критерий Рожь Сахарный тростник Агава
Потребность в качестве пищевого продукта Очень высокая Высокая Отсутствует
Потребность в пахотных землях Очень высокая Очень высокая Отсутствует...средняя
Необходимость полива Высокая Очень высокая Отсутствует...низкая
Нагрузка на окружающую среду Очень высокая Высокая Отсутствует...низкая
Содержание сахара и крахмала 10...20% 10...14% 20...28%
Среднегодовой выход этанола, л/га 3 6 10
Агава Теквилана (Agave tequilana) производит:
• в 3 раза больше сахара, чем сахарный тростник (до 42° плотности по Бриксу)
• в 4 раза больше сухой массы (АСМ), чем ГМО тополь или просо прутьевидное
• в 8 раз больше целлюлозы, чем самые быстрорастущие деревья (64,9% АСМ)
• в 2 раза больше сиропа фруктозы, чем кукуруза (в весовом выражении)
• в 2 раза больше инулина, чем лакрица (в весовом выражении)
• Поглощает в 4 раза больше углекислого газа, чем любое древесное растение
• Некоторые сорта агавы могут превысить эти показатели вдвое
Рис. 7. Показатели энергетические , биохимические и устойчивости растения Agave tequilana1151.
Рис. 8. Плантация растения Opundia Ficus - Indica на участке, непригодном для выращивания традиционных сельскохозяйственных культур (фото С. Киритсиса, 2013).
принципу устойчивой энергетики, так как они могут расти на малоплодородных и необрабатываемых землях, не требуют принудительного полива и не создают конкуренции продовольственным/кормовым культурам. В то же время, культивирование агавы для производства этанола позволяет компенсировать в 2,5 раза больше выбросов CO2 в атмосферу, по сравнению с кукурузой, выращиваемой для тех же целей (в абсолютных значениях для биоэтанола , полученного из агавы, эмиссия парниковых газов в эквиваленте CO2 составляет 35 г на МДж произведённой энергии).
Основываясь на недавних отчетных материалах компании AusAgave, относящихся к урожайности культуры, Byogy's Technology (США) подтверждает1141, что: «Из агавы приготовлены конкурентоспособные топлива и целый ряд химикатов. Биотоплива на 100% соответствуют критерию устойчивости и по всем параметрам заменяют стандартные топлива, не требуя добавления нефтепродуктов и переоборудования инфраструктуры».
По заключению Артуро Валеса Химене-са (мексиканского специалиста по агавам)1151, растения вида Agave sp. не требуют полива и удобрений, могут поглощать углекислый газ в ночное время, используя его в процессе фотосинтеза в течение светового дня.
Этим своим свойствам растение обязано альтернативному механизму удерживания углерода, получившему название метаболизма карбоновых кислот по типу толстянковых (Crassulacean Acid Metabolism) или, сокращенно, «CAM-метаболизм»1141. Устьице на поверхности листа остается закрытым в течение дня, чтобы уменьшить потерю воды вследствие испарения, и открывается ночью, чтобы адсорбировать CO2. Накопленный таким образом диоксид углерода концентрируется вокруг ско-
В ENERGY BULLETIN
1910 1920 1930 1940 1950 1960 1980 1990 2010
год
Рисунок 9. Как было показано на примере опыта работ по выведению улучшенных сортов кукурузы, начавшихся в 1950 г. и позволивших добиться фантастических урожаев к настоящему времени, данное направление может принести ощутимые результаты при выведении новых гибридных культур, обладающих высокой продуктивностью по биомассе (рисунок опубликован в БС ЬЫие^171).
плений фермента RuBisCO, тем самым повышая эффективность фотосинтеза.
Джим Лайн сообщает1141 о годовом выходе этанола 10 м3/га при получении его из агавы и оптимистично добавляет, что это только начальная стадия исследования.
б) Opuntia Ficus-Indica sp.
Opuntia ficus-indica (или мексиканский кактус) представляет собой разновидность кактуса, который можно выращивать в условиях экстремального недостатка влаги без полива и использования удобрений на землях, непригодных для традиционного растениеводства. В наше время опунцию выращивают в Мексике и Чили для производства биогаза. Характерной особенностью состава биогаза, полученного из опунции это отсутствие окислов серы. Образование биогаза происходит очень интенсивно за короткое время полного цикла (в 5-10 раз быстрее, чем при сбраживании навоза).
По данным д-ра Р. Моралеса (руководителя Центра ELqui Global Energy в Чили), из биомассы опунции, собранной с 1 га можно получить 17 500 м3 биогаза, что в энергетическом эквиваленте соответствует 10 000 л. дизтоплива.
Компонентный состав произведенного биогаза идентичен составу природного газа. В нем содержатся CH4 (75%), CO2 (24%) при незначительной (1%) доле прочих газов. Теплотворная способность биогаза, произведенного из опунции, равна 7 000 ккал/м3.
По заключению Министерства сельского хозяйства Мексики, Opuntia ficus indica может
давать годовой урожай до 6OO т/га, что эквивалентно 6O т/га сухой биомассы.
в) новые гибриды для интенсивного производства биомассы.
Некоторые компании, специализирующиеся в области селекции, (преимущественно, в США, такие как: Ceres, NexSteppe, DuPont, Blade energy crops, McClune Industries, SG bio-fuels и Пекинский центр исследования трав и окружающей среды), используя современные методы, создали весьма перспективные гибриды следующих видов растений:
• сладкое сорго;
• сорго высокоурожайное, просо прутьевидное;
• слоновая трава (пеннисетум красный), ятрофа;
• гибриды некоторых других растений, весьма перспективные в плане получения сырья для биотехнологических производств и биотопливной отрасти.
в1) Сладкое сорго (Sorghum bicolor L., Moench).
Сладкое сорго было в прошлом завезено в некоторые страны (США, Индия, Румыния, Египет и многие др.) в связи с высоким содержанием сахаров в стеблях, а также в целях пищевого/кормового использования семян. Хотя это растение изначально культивировалось для производства сахарного сиропа и продуктов питания/кормов, в настоящее время оно может также служить сырьем для приготовления эта-
80
70
14 60
1-
Z 50
ма
> S о 40
н
еле
з >s 30
1
ро
20
10
0
I 1990 И Сорго на зеленую массу
15 апреля 5 мая 21 мая 2 июня 18 июня
Дата высева
Рис. 10. Зависимость урожайности высокопродуктивного сорго от сроков посева в условиях штата Оклахома (источник: ОКЬД, США).
нола (из крахмала, сахара), а также гидролизного спирта из лигноцеллюлозы и различных химических биокомпонентов. Сегодня примерно треть урожая сорго в США идет на производство биотоплив1541.
К достоинствам сладкого сорго следует отнести: 1) высокую урожайность и большое содержание сахаров; 2) эффективное использование воды и устойчивость к засухе; 3) перспективность в плане выведения новых сортов путем применения традиционных методов селекции и генной инженерии; 4) сорго может заменить зерно кукурузы при производстве этанола (из 1 м3 семян сорго можно получить столько же этанола, сколько из 1 м3 кукурузы, однако выращивание сорго требует меньше воды, а сопутствующие продукты его переработки в спирт содержат меньше жиров и больше белка, чем продукты переработки зерна кукурузы)1541.
Несмотря на перечисленные преимущества, темпы развития производства биоэтанола из сорго в США не достигли ожидаемых показателей даже при наличии современных технологий (низкие темпы продвижения на начальном этапе характерны для практически всех новых технологий).
Поскольку гибридные сорта сладкого сорго отличаются высоким выходом сахара и высокими урожаями семян, уборку приурочивают
к моменту, когда выход сахара достигает максимальных значений. Плотность посева должна быть относительно невысокой, так как при загущенных посевах содержание сахара в стеблях уменьшается. Постоянное культивирование сладкого сорго на одном поле приводит к снижению урожайности от года к году, поэтому следует соблюдать соответствующую систему севооборота. Севооборот способствует сохранению и восстановлению плодородия почвы, а также является методом предупреждения заражения почвы насекомыми и болезнетворной микрофлорой. Оптимальными культурами в цикле севооборота признаны1491 соя, хлопок и растения, удерживающие азот в почве.
Энергетическая эффективность сладкого сорго (отношение затраченной энергии к полученной в полном цикле производства) равна 1:8161, в то время как для кукурузы этот показатель не достигает указанной величины. Багасса" полученная как побочный продукт брожения, может быть использована в качестве корма (при наличии в доступной близости животноводческих ферм), а также в качестве энергетического сырья для производства тепла и электричества. Барда"" идет на корм скоту или удобрения.
Дальнейшее повышение экономической эффективности можно ожидать1491 от деятельности фермерских объединений (таких как: Ассоциация производителей этанола из сорго - SSEA, Ассоциация производителей биотопливного этанола - EPEC, Delta s.s. ethanol producers - LLC и т. п.), а также от кооперации сельхозпредприятий, выращивающих эту культуру с существующими предприятиями по переработке сахарного тростника (южные штаты США, Филиппины и, безусловно, Бразилия). Однако идеальным вариантом для производителей сорго была бы организация собственных перерабатывающих производств непосредственно в хозяйствах.
Биотоплива из сладкого сорго можно получать методом газификации или путем анаэробного сбраживания сахаридов (сахароза, фруктоза, глюкоза).
Продукт первичной переработки биомассы сладкого сорго в виде отжимов - прим. ред. * Конечные жидкие отходы переработки биомассы сладкого сорго - прим. ред.
Междурядное расстояние, м ■ 0,76 ■ 0,38 I 0,19
20
Азот, кг/га
Рисунок 11. оптимальные нормы внесения азота и междурядные расстояния для высокопродуктивного сорго (исследование Университета штата Оклахома - OKLA , источник: OCLA).
25
15
10
5
0
0
84
168
252
Сладкое сорго хорошо адаптируется к условиям зоны умеренного климата. Показательны результаты последнего сравнительного исследования, проведенного в Германии (N.52o) и Италии (N.42o)[13], в которых изучалась урожайность шести разновидностей культуры Sweet sorghum (Keller, M81E, Dale, Delta, Bovital and Goliath). Продуктивность по биомассе и содержанию сахара оказалась вдвое выше в Северной Европе. Учитывая общие свойства этих культур при выращивании в зонах умеренного климата, можно оценить их продуктивность по выходу конечного продукта (этанола) величиной, превышающей 6 м3/га.
Производство сырья из сорго может быть легко интегрировано в цикл севооборота в течение одного сезона с такими культурами, как, например, Vicia velosa[50], что позволит дополнительно получать биомассу кормового назначения и повышать плодородие почвы примерно на 50 азотных единиц.
Работы, проведенные исследовательскими группами некоторых университетов (Texas
A&M, Oklahoma, Nebraska и др.), а также частными компаниями (Ceres, Monsanto, DuPont, Mc Cluny Industries, NexSteppe, Chromatin, Sweetwater Energy и др.) затрагивавшие преимущественно агротехнические аспекты и технологии переработки для новых видов культур и гибридов, дали обнадеживающие результаты (например: до 9 м3/га этанола). В настоящее время разработки находятся на стадии коммерциализации.
Частная компания NexSteppe выпустила на рынок серию культур сорго под общим названием «гибриды Малибу», утверждая, что они отличаются высоким содержанием легкодоступных для извлечения сахаров и разработаны для адаптирования к различным условиям культивирования, имея при этом различные сроки созревания.
Другие компании США (Chromatin и Calgren Ren. Fuels) объявили о намерении совместно осуществить проект по производству этанола и барды на плантациях зерновых сортов сорго общей площадью 12 000 га, Пла-
В ENERGY
BULLETIN № 19, 2015
Рисунок 12. Плантации проса прутьевидного третьего года культивирования (фото: NexSteppe).
нируется получать не менее 208 000 м3 этанола ежегодно1511.
Сладкое сорго и зерновое сорго постепенно занимают место самых достойных альтернатив традиционным техническим сельскохозяйственным культурам1521.
в2) Высокоурожайное сорго (Sorghum sudenencee Stapf.).
Sorghum sudenense относится к злакам, которые выращивают для скармливания скоту в свежем виде или на силос. Изначально очень хорошая продуктивность этого растения по биомассе была в последствии дополнительно повышена путем создания гибридов на их основе рядом частных компаний и университетов, в частности в США.
Помимо высокой урожайности, что очень важно при использовании для целей энергетики, сорго можно рассматривать как средство для улавливания CO2 из атмосферы, так как показатель улавливания и хранения углерода в органической форме для этой культуры лежит в диапазоне от 3 до 8 т/га/год (Др. Франк Хонс)1331.
Компания NexSteppe утверждает, что ее гибрид высокопродуктивного сорго «Palo Alto» достигает 6 м в высоту всего лишь за 4 месяца роста, обеспечивая при низкой себестоимости высокий урожай биомассы, которую можно использовать в качестве сырья для производства различных биопродуктов, биогаза, и биото-плив, получаемых из целлюлозы. Этот гибрид был разработан с целью создания растения,
способного в период созревания обходиться малым количеством влаги. Это позволяет снизить содержание воды в собранной биомассе и, соответственно, повысить ее теплотворную способность и уменьшить затраты при уборке, транспортировке и сжигании, которые составляют не менее 50% от общей суммы затрат, относящихся к энергетическому сырью.
в3) Просо прутьевидное (Panicum virgatum) как сырье для биопродукции и энергетических целей.
Просо прутьевидное (Panicum virgatum) является многолетней травой, растущей в естественной среде в тёплое время года и являющейся наиболее продуктивной, с точки зрения биомассы, культурой в США. Изначально его выращивали на сено и на фураж. Просо прутьевидное характеризуется высокой урожайностью при культивировании на неплодородных землях при естественном поливе дождями.
Министерством сельского хозяйства США (US Department of Agriculture (USDA) и специалистами ряда университетов и частными компаниями (такими, как NexSteppe, Blade energy crops и др.) в ряде мест США проводились селекционные и генетические исследования на этой культуре. В настоящее время на рынке представлен различный посевной материал, адаптированный для конкретных климатических условий.
Просо прутьевидное хорошо приспособлено к малоплодородным землям, и с экономической и энергетической точек зрения, а также в плане устойчивости, представляет собой сельскохозяйственную культуру, вполне подходящую для производства энергии с применением доступных технологий.
Эта культура накапливает примерно столько же углерода в корневой системе, сколько и в своей надземной части. Это означает то, что производственные циклы, основанные на просе прутьевидном, могут использоваться для производства биотоплив с отрицательным углеродным балансом, «зеленой» энергии и другой биопродукции. Биомасса этого растения характеризуется высоким качеством, содержит мало влаги и зольных компонентов и, соответственно, обладает высокой теплотворной способностью.
Рисунок 13. Вверху: Гибрид Jmax 100, компании SGB (фото SGB)171; внизу: плоды ятрофы, готовые к сбору урожая (фото Ren. En. World).1341.
в4) Pennisetum purpureum Schumach или Слоновая трава (гибридный перистоще-тинник).
Гибридный перистощетинник был выведен и исследован Пекинским центром исследования трав и окружающей среды (Grass and Environment Research center of Beijing). Это растение продемонстрировало исключительно высокую продуктивность по биомассе по сравнению с многими другими видами в идентичных климатических условиях при равных нормах полива и внесения удобрений:
• Просо прутьевидное
(+ 5,15 т/га гидролизного этанола).......23,33 т/га
• Лапчатка гусиная..........................................28.22 т/га
• Арундо тростниковый................................47.08 т/га
• Гибридный перистощетинник
(+ 13,69 т/га гидролизного этанола) ....59.22 т/га
в5) Jatropha curcas или ятрофа ядовитая.
Ятрофа - ягодный кустарник с несъедобными плодами, произрастающий в Центральной Америке. Семена растения содержат большое количество масла, которое можно переработать в высококачественное сырье для производства биотоплива и химических продуктов1351. В силу своей несъедобности (токсичности) растение может культивироваться на заброшенных землях, где производство пищевого сырья считается нежелательным.
Ятрофа может расти в теплом засушливом климате. Традиционно используемая для изготовления изгородей и экстракции небольшого количества растительного масла, она могла бы найти применение в качестве энергетического сырья для теплоэлектроснабжения в малонаселенных регионах. Это растение может использоваться для получения и другой биопродукции (зеленой биомассы, медицинских препаратов и т. п.).
Существуют нетоксичные разновидности ятрофы, синтезирующие не только липиды, но и белки. Многие растениеводы, хозяйства которых расположены в теплом климате, предпринимали попытки закладывать плантации ятрофы для использования в энергетических целях, однако большинство из них остались недовольны результатами.
Ряд крупных международных компаний, оценивших высокое качества масла ятрофы, заложили обширные плантации в зоне теплого влажного климата, что привело к вытеснению с этих земель местных обедневших фермеров и создало социальную напряженность.
В настоящее время ряд агрофирм способствуют продвижению на рынок ятрофы, проводя селекционную работу, совершенствуя биотехнологию и агротехнику в целях повышения продуктивности этой культуры.
Компания SG Biofuels, находящаяся в Калифорнии, сообщает о том, что ее сотрудники расшифровали генетический код ятрофы и создали гибрид1341, сокращающий сроки выхода на максимальную продуктивность с 4-5 до 1-2 лет. При этом основным целевым индикатором является годовой выход масла не менее 3 000 л/га и 1,5 т/га белковой массы (для сравнения: типовая продуктивность сои составляет 560 л/га и 1,0 т/га белкового компонента).
В ENERGY
BULLETIN № 19, 2015
Список использованной литературы
1. Ludwig D. et al. (2012). Workshop on Cost Action CM0903. Thessaloniki, 2012.
2. Corma A., Iborra S., Velt A. (2012). Chem. Rev., No. 107(6) p. 2411.
3. Wyman C.E. (2012). Trends Biotechnology No. 25, p.153-157.
4. Domine M. (2012). Workshop on Cost Action CM0903, Thessaloniki 2012.
5. Wool R. (2012. Biobased polymers and composites. Optimal design. University of Delaware, USA.
6. Bitzer M. (2009). Early deheating of sweet sorghum. National Sweet sorghum producers.
7. SGBiofuels (2012). Facts about Jatropha crop.
8. Ruggeri R., Rossini E.,Provenzano M. E.,Del Pug-lia I.(2012). Sweet sorghum Potentials as biofuel feedstock in two European growing areas. 20 European Biomass Conference, Milano 2012.
9. I EA, 2008. "Energy Technology Status and Outlook 2008.
10. McClune Industries presents Sor-cane Harvester and SORGANOL Biofuel Innovations. LLC; 7 Potterville Main st. Reynolds, GA 31076D/B/A/ McCLUNE Industries.
11. Bellmer D., Huhnke R. 2010. "Sweet Sorghum Ethanol , In-Field Fermentation issues". Oklahoma State University 2010. www. Bioenergy-center.okst.edu.
12. Papadopoulou E. et al. 2013. "Value- added industrial products from fiber crops". Chimar Hellas S.A., FIBRA Network-Summer school, Catania-Italy 2013.
13. Proceedings of the European Biomass and Industry Conference 2012, Milano-Italy.
14. Jim Lane, 2014. "Tequila sunrise: Byogy, AusAgave sign pact to advance agave as aviation biofuels feedstock". Biofuels Digest, 15 June 2014.
15. http://www.greenoptimistic.com/2011/08/09/ agave-ethanol
16. Savage, Neil. (2011). "Fuel options: The ideal biofuel". Nature Vol. 474, Issue 7352, 22, Jun. 2011.
17. Wen, M.,Bond-Watts, B.B,, Chang, M.C.Y. (2013). "Production of advanced biofuels in engineered
E. coli". Chem. Biol. 2013, 17, p 427-476.
18. Walker, M. C., Chang, M.C.Y. (2014). "Natural and engineered biosynthesis of fluorinated natural products". Chem. Soc. Rev., 2014, 43,p 6527-6536.
19. Desai, S.H., Robinovich-Deere, Tashiro, C.A., At-sumi, S. (2014). "Isobutanol production from-cellobiose in E. coli". Appl. Microbial Biotechnology, 98(8), p 3727-3736, 2014.
20. Nozzi, N. E., Desai, S.,H., Case, A.N., Atsumi, S. (2014). "Metabolic engineering for HHigher alcohol production". Metab. Eng. 25:174-182, 2014.
21. Jungho, J., Coolman, R.,MJountziaris, Huber G.W. (2014). "Catalytic fast pyrolysis of lignocel-lulosic biomass in a process development Unit with continual catalyst addition and removal). Chemical Engineering Science. Eyrolles vol. 108, 2014, p37-46.
22. (2013). Dumesic, James et al. "Integrated conversion of hemicellulose and cellulose from lignocellulosic biomass". Energy and Environmental Science 6, 76 (2013).
23. (2013). Dumesic, J et al. "Production of renewable petroleum refinery diesel and jet fuel feedstocks from hemicellulose sugar streams". Energy and Environmental Science 6, 205 (2013) .
24. (2012). Dumesic, James et al (2012) " A sulfuric acid management strategy for the production of liquid hydrocarbon fuels via catalytic conversion of biomass-derived levulinic acid". Energy and Environmental Science 5, 9690, 2012.
25. Dodge, Ed.(2014). "CO2 to Fuels via Photosynthesis". Breaking Energy, Jan. 2014.
26. Dodge, Ed. (2014)."How Much Renewable Natural Gas Can Be Produced". Braking Energy, Dec. 2014.
27. Oliver, J. Machado, I.,Yoneda, H., Atsumi, S. (2013). "Cyanobacterial convertion of carbon dioxide to 2,3-butanediol". Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, vol. 110, no. 4, pp. 1249-1254,
2013.
28. Oliver, J.W.K., Atsumi, S.(2014)." Metabolic design for cyanobacterial chemical synthesis". Photosynthesis Research, Vol.120, Issue 3, June
2014, Pages 249-261.
29. Robertson, D.E., Jacobson, S.A., Morgan, F.,Beny, D. Church, G.M., Afevan, N.B. (2011). "A new down for industrial photosynthesis". Photosynthesis Research Vol. 107, Issue 3, p 269277.
30. Simson, R.,et al. (2010. Renewable Energy World magazine, March 2010.
В ENERGY BULLETIN
31. Weisman, Warren . (2014). "Hestia Home Biogas". Renewable Energy World, Dec. 2014. www.hestiahomebiogas.com.
32. Meghan Sapp. (2014). "Harvard researchers manipulate bacteria to produce chemicals on demand)". Biofuels Digest, 25/12/2014. http://www.biofuelsdigest.com/bdi-gest/2014/12/25/harvard-researchers-manip-ulare-bacteria-to-produce-chemicals-on-de-mand
33. Hons, F., et al. (2014). "Bioenergy sorghum could help with greenhouse gas emissions". Agriculture & Life Sciences, Texas A&M University, Department of Soil & Crop Sciences, June, 2014
34. (2014). "Jatropha Biofuel Around the World: A 13-cfountry Tour of Development Activity". Originally published on Biofuels Digest and republished on Renewable Energy World, September 15, 2014
35. (2011). Mkoma, S.l., Mabiki. F.,P. "Theoretical and Practical Evaluation of Jatropha as Energy Source Biofuel in Tanzania". Published on the INTECHWEB book: ECONOMIC EFFECTS ON BIOFUEL PRODUCTION July 2011
36. Executive Summary of the High-Level Panel, of Experts (HLPE). (2013). "Biofuels and food Security". Committee on World Food Security, Rome , Oct. 2013
37. "Newsvine-Ecofasa turns waste to biofuels using bacteria". Lele.newsvine.com, Oct. 2008
38. Renewable Energy Focus magazine ,24/11/2010. "Biofuel capacity to grow 7.8% annually".
39. David Appleyard (2014). "Biomass Outlook 2014: Is Biomass About To Go Bang?". Renewable Energy World, Feb. 2014
40. Schuppenhauer, M. (2014). "The Latest in next-wave biofuels feedstock reports: Biogas". Biofuels Digest, 06/08/2014
41. Akinshina, N., et al. (2012). "Anaerobic Degradation of Halophyte Biomass for Biogas Production". Journal of Arid Land Studies, 22-4, 227230 ,2012
42. Madrical, A. (2008). "Food vs. Fuel: Saltwater Crops May Be Key to Solving Earth's Cruch". The Open University UK, 2008
43. Eshel, A.,et al. "Biomass production by desert halophytes: Alleviating the pressure on food production". Tel-Aviv University, The Hebrew University of Jerusalem, University of Tuscia
Italy amrame@ex.tau.ac.il, http://www.tau. ac.ac.il/amram/
44. Sustainable Bioenergy Research Consortium. (2014). "Biofuel from desert plants geown with seawater". Energy&Green Tech, Jan. 22, 2014
45. Glenn, S. B., Nelson, S. G. " Summary of Research Findings and Bibliography of Salicornia bigelovii as a High- Salinity Biomass and Oilseed Crops". A report to NASA
46. Abideen, Z., Ansan, R.,Khan, M.A. (2011). "Halophytes: Potential source of ligno-cellu-
losic biomass for ethanol production". Biomass and Bioenergy Vol. 35, issue 5, pi 8181822, 2011.
47. U.S. Department of Energy (2014). "Energy Efficiency and Bioenergy". Diesel Power magazine 2014. www.dieselpowermag.com/ tech/0910dp_diesel_fuel_adcantages/pho-to_03.html
48. Wikipedia. "Plug-in electric vehicle"
49. Nieves, R.A. (2012). "Sweet sorghum, Other Sugar Crops Show Promise". BBI Consulting Services (2012). Publisged on Ethanol Producer Magazine, 2012. www.nieves@bbiinternation-al.com
50. University of Nebrasca (2008). "Sweet Sorghum Researdh". www.bioenergycenter.ok-state.edu.
51. Sapp, M. (2013). "Chromatin and Calgren Renewable Fuels agree on sorghum deal". Biofuels Digest 02/25/2013
52. Lane J. (2014). "Top 10 Biofuels & Biobased Productions for 2014". Biomass Digest 01/06/2014
53. "China Biodiesel Industry Report 2014-2017". June 2014.
54. Sorghum check off organisation (2015). "Sot-ghum check off Renewables Program". Sorghum check off newsletter, Jan. 2015.
55. Fugi Pigment Co,Ltd (2015). "Fugi Pigment Unveils Aluminium-Air Battery Rechargeable by Refilling Salty or Normal water". Renewables e-Newsletter-8th Jan. 2015.
56. Runyon, J. (2014). "Generating Heat and Power from Waste Is Focus of BioEnergy Tour during REWNA". Renewable Energy World, Dec. 08, 2014.
Продолжение данной статьи читайте
в следующем номере журнала «Энергетический вестник».
