Применение альтернативных источников энергии и перспективы использования биотоплива третьего поколения в интересах Вооруженных Сил Российской Федерации Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Применение альтернативных

источников энергии и перспективы использования биотоплива третьего поколения в интересах Вооруженных Сил Российской Федерации

И.В. МАРКИН, кандидат технических наук

С.Н. ГОРБАЧЁВА, кандидат химических наук

И.А. ЗАЙЦЕВ

Майор медицинской службы П.К. ПОТАПОВ, кандидат медицинских наук

АННОТАЦИЯ ABSTRACT

Проведен анализ литературных источников по вопросу современного состояния области исследований биотоплива. Отмечены актуальные разработки и показаны перспективы применения альтернативных источников энергии в вооруженных силах. Представлен опыт Вооруженных Сил Российской Федерации и зарубежных стран по развитию отрасли за счет использования альтернативных источников энергии в виде биотоплива.

Биотопливо, возобновляемые источники энергии, биодизель, микроводоросли, горюче-смазочные материалы.

The paper examines literature on the current state of biofuel research. It highlights recent advancements and explores opportunities for integrating alternative energy sources in the armed forces. The experience of the Armed Forces of the Russian Federation and foreign countries in the development of the industry through the use of alternative energy sources in the form of biofuels is presented.

KEYWORDS

Biofuels, renewable energy, biodiesel, microalgae, fuels and lubricants.

КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА

В НАСТОЯЩЕЕ время вследствие ухудшения экологической обстановки, растущего потребления электроэнергии и ограниченности природных ресурсов стремительные обороты набирают «зеленые» технологии добычи энергии, характеризующиеся минимальным негативным воздействием на окружающую среду1. Несмотря на положительную тенденцию, большая часть энергии на сегодняшний день вырабатывается за счет сжигания нефтепродуктов и газа, а также благодаря работе атомных и гидроэлектростанций2.

Все эти источники в том или ином виде наносят вред как экологии, так и человечеству в целом. Многие развитые и развивающиеся страны в настоящее время считают главной задачей снижение «угле-

родного следа» в атмосфере путем использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). На рисунке 1 представлена статистика мировой вырабатываемой энергии различными источниками.

Рис. 1. Статистика мировой вырабатываемой энергии различными источниками (в пересчете на условное топливо)

Анализ данных, представленных на рисунке 1, показывает, что наибольший вклад в долю вырабатываемой энергии по-прежнему вносят полезные ископаемые — нефть, газ и уголь. По статистическим прогнозам, к 2040 году потребление горючих полезных ископаемых значительно снизится (в 3—5 раз по сравнению с данными за 2020 год), а использование ВИЭ и биоэнергетики возрастет на 1000—1100 %. Также ожидается значительный рост количества разработок, направленных на изучение новых видов биотоплива и методов его производства3.

В процессе получения разных видов биотоплива, способствующих снижению «углеродного следа» в атмосфере, применяют так называемые «зеленые» технологии, которые, в свою очередь, нашли использование во многих сфе-

рах человеческой деятельности — транспорте, энергетике, а также в вооруженных силах (ВС). Сегодня невозможно представить развитое государство без многочисленной и хорошо укомплектованной армии, на содержание которой тратится большое количество ресурсов, и даже частичный переход на альтернативные источники энергии может привести к положительной динамике в рамках как экологической, так и экономической програм-мы4. По этой причине главной задачей видится поиск возобновляемых и доступных источников энергии5.

Специалисты выделяют ряд причин актуальности перехода от традиционных видов топлива к альтернативным как в гражданском сегменте, так и в ВС:

• необходимость перехода от традиционных горюче-смазочных мате-

риалов (ГСМ) к топливу с улучшенными характеристиками, такими как повышенная безопасность, триботех-нические характеристики, цетановое число и фракционный состав;

• возможность локального производства топлива на удаленных объектах инфраструктуры, что позво-

Биотопливо как истс

Биотопливо для дизельных двигателей (биодизель8) впервые было получено из сельскохозяйственных культур с высоким содержанием жиров, крахмала и сахаров9. Растительные крахмалы и сахара перерабатываются в этиловый спирт (этанол), который может быть использован как топливо. Однако изъятие даже части продовольственных культур с рынка пищевых продуктов повысит не только их стоимость на международном рынке сырья, но и скорее всего спровоцирует голод в неразвитых странах. При этом в доступной литературе нет достоверной информации об экономической эффективности таких ГСМ.

Решением данной проблемы может стать использование биотоплива, которое классифицируется по поколениям. К первому поколению относят топливо, изготовленное из сахаров, масел и жиров растительного происхождения с использованием традиционных технологий10. Второе поколение биотоплива представляет собой биоуглерод (целлюлоза, лигнин), который ферментируется в реакторах в этанол, метанол или эфиры11. Основой для биотоплива третьего поколения, как правило, служат аквакультуры и водоросли12. Данный вид топлива считается наиболее перспективным. Предполагается, что в процессе производства будет достигнута высокая скорость воспроизводства микроводорослей при большой концентрации биомас-

лит снизить транспортные расходы и увеличить автономность пунктов базирования войск;

• экономические соображения (повышение цены на ГСМ);

• климатические соображения (Парижское соглашение6 и Киотский протокол7).

ик энергии будущего

сы (урожайность микроводорослей практически в 100 раз превышает самую продуктивную сельскохозяйственную культуру13). По этой причине многие специалисты ведут исследования, направленные на изучение свойств, методов получения и применения с последующей возможностью широкого распространения биоди-зеля14. Известно, что при сгорании биодизеля выделяется такое же количество углекислого газа, какое было потреблено из атмосферы растениями, являющимися сырьем для производства масла, поэтому «углеродный след» данного продукта приравнивают к нулю15. Меньшая токсичность продуктов горения обусловливает экологическую целесообразность проводимых исследований.

Сравним между собой биодизельное топливо, характеризующееся различным химическим составом (табл. 1).

По статистическим прогнозам,

к 2040 году потребление горючих полезных ископаемых значительно снизится (в 3—5 раз по сравнению с данными за 2020 год), а использование ВИЭ и биоэнергетики возрастет на 1000—1100 %. Также ожидается значительный рост количества разработок, направленных на изучение новых видов биотоплива и методов его производства.

Свойства биодизельного топлива различного происхождения

Таблица 1

Страна происхождения / стандарт Австрия / ON С1191 Чехия/ CSN656507 Франция/ Journal Official Германия / DIN V 51606 Италия / UNI10635 Швеция / SS 155436 США/ ASTMD6751

Основной используемый продукт Метиловые эфиры жирных кислот Рапсметиловый эфир Сложные метиловые эфиры растительных масел Метиловые эфиры жирных кислот Сложные метиловые эфиры растительных масел Метиловые эфиры жирных кислот Сложные моно-алкиловые эфиры жирных кислот

Цетановое число, не менее 49 48 49 49 — 48 47

Вязкость при 40 °С, мм2/с 3,5—5 3,5—9 3,5—5 3,5—5 3,5—5 3,5—5 1,9—6,0

Температура вспышки, °С >100 >110 >100 >110 >100 >100 >130

Температура застывания, °С: -15 -5 — 0—10 — -5 —

Массовая доля серы, мг/кг, не более <200 <200 — <100 <100 <100 <500

Плотность при 15 °С, кг/м3 850—890 870—890 870—900 875—900 860—900 870—900 —

Кислотность, мг КОН/г, не более 0,8 0,5 0,5 0,5 0,5 0,6 0,08

Анализ данных таблицы 1 свидетельствует о том, что природа основного используемого компонента (эфирная составляющая) влияет в большей степени на такие характеристики биотоплива, как вязкость и температура застывания. Вязкость является параметром, который характеризует прокачиваемость горючего по топливной системе, что определяет стабильность работы всего двигателя16. Если говорить о температуре застывания топлива, то для климатических условий России данная характеристика является наиболее важным параметром, позволяющим обеспечивать работоспособность системы в условиях отрицательных температур17.

Данные, представленные в таблице 2, позволяют сделать вывод о том, что биодизельное топливо способно конкурировать с традиционным. Так, цетановое число19 для биодизеля, которое характеризует стабильность и длительность горе-

Следовательно, именно состав основного компонента определяет области и условия применения полученного на его основе биотоплива.

Рассмотрим характеристики биодизельного и традиционных марок дизельного топлива. В таблице 2 представлены основные характеристики видов топлива, причем сравнение проводится по наиболее значимым свойствам, в соответствии с ГОСТ 305-8218.

Поскольку существенное влияние на характеристики биотоплива оказывает его происхождение (а именно вид масла, из которого его производят и химический состав), в таблице 2 приведены усредненные значения для биотоплива.

ния смеси, превышает аналогичное значение обычного дизельного топлива. При этом такие параметры, как зольность или коксуемость, для биотоплива ниже, что свидетельствует о меньшем износе двигателей, работающих на таком топливе.

Таблица 2

Основные характеристики дизельного топлива и биотоплива

Показатели Характеристики марок

Летнее дизельное топливо Зимнее дизельное топливо Биодизельное топливо

Цетановое число, не менее 45 45 48,3

Кинематическая вязкость при 20°С, мм2/с 3—6 1,8—5,0 7,5

Температура застывания, не выше, °С: -10 -35 -9

Температура вспышки в закрытом тигле, не ниже, °С: 80 35 115

Массовая доля серы, %, не более 0,2 0,01 —

Кислотность, мг К0Н/100 см3 топлива, не более 5 5 5

Зольность, %, не более 0,03 0,03 0,02 и меньше

Коксуемость 10%-ного остатка, %, не более 0,5 0,30 0,25 и меньше

Плотность при 20°С, кг/м3, не более 830 — 870

Области использования биотоплива как альтернативного источника энергии

Биотопливо на сегодняшний день используется во многих сферах человеческой деятельности наряду с ископаемыми горючими материалами. Известно, что современное дизельное топливо, используемое как в легкой, так и в тяжелой промышленности, представляет собой смесь биодизеля и традиционного топлива. При этом такой вид горючего классифицируется в зависимости от количества примесей биодизеля20.

В условиях нарастающего энергетического кризиса, спровоцированного политической обстановкой, особенно остро проблема нехватки сырья стоит как перед странами, не обладающими ископаемыми ресурсами, так и перед странами, имеющими достаточный энергетический потенциал. Актуальность использования биотоплива вооруженными силами по всему миру оправдана тем, что расход топлива у оборонного сектора растет не только на транспортные нужды и производство электроэнергии, но и на поддержание работоспособности множества сложных устройств и защиты энергоемких систем21.

Большинство видов биотоплива можно производить и использовать локально, это уменьшает риск обнаружения противником армейских постов, а также снижает риски потери конвоев обеспечения. Сегодня ведутся исследования возможности применения альтернативного топлива не только для генераторов и техники военного назначения, но и для сверхзвуковых самолетов, что может значительно повысить актуальность применения биотоплива22.

Многие зарубежные страны начали переход от традиционных источников топлива к альтернативным еще несколько лет назад23. Данный под-

ход может обеспечить независимость данных стран от полезных ископаемых и, как следствие, экономическую свободу. При этом разрабатываемые биотоплива должны соответствовать следующим критериям:

• быть «незаменимыми», т. е. не требующими модификации;

• стать конкурентоспособными по стоимости в сравнении с традиционным нефтяным топливом;

• синтезированными из непродовольственного сырья сельскохозяйственных культур;

• являться экологичными в производстве и применении.

Вооруженные силы Соединенных Штатов Америки (ВС США), представляющие крупнейшего в мире корпоративного потребителя энергоносителей (до 15 млн т/год), получают 11,3 % энергии из возобновляемых источников. К 2025 году доля таких источников должна возрасти до 25% от общего энергобаланса ВС США. Усилия военных направлены на повышение энергоэффективности боевой техники, вооружения и объектов инфраструктуры (до 70% для вновь возводимых, до 50 % для уже функционирующих). Предполагается увеличение объемов использования перспективных видов биотоплива, так как в настоящее время на нефтепродукты затрачивается около 75 % энергобюджета страны24.

По статистике США являются крупнейшим производителем биотоплива, на их долю приходится 41,9 % от мирового производства биотоплива, что составляет 1347,3 млн литров. Статистические данные представлены на рисунке 2.

Лидером по освоению перспективных альтернативных видов топлива являются Военно-воздушные силы (ВВС) США25. В условиях напряжен-

Рис. 2. Динамика производства биотоплива лидерами рынка в 2022 году

ной внешней политики страны Североатлантического альянса (НАТО) продолжают активные процессы освоения альтернативных источников энергии, которые направлены на снижение нефтяной зависимости от стран-лидеров нефтедобычи, повышение уровня безопасности и автономности, а также сохранение окружающей среды26.

В Китае в настоящее время самолеты выполняют полеты из Шанхая в Пекин на горючем топливе из пищевого масла. При этом были показаны вполне эффективные результаты — экономия топлива составила около 20 %, что, в свою очередь, минимизирует загрязнение окружающей среды и в то же время может позволить

Большинство видов биотоплива можно производить и использовать локально, это уменьшает риск обнаружения противником армейских постов, а также снижает риски потери конвоев обеспечения. Сегодня ведутся исследования

возможности применения альтернативного топлива не только для генераторов и техники военного назначения, но и для сверхзвуковых самолетов, что может значительно повысить актуальность применения биотоплива.

сделать полеты дешевле для пассажиров. В настоящий момент возникают незначительные трудности с переработкой отходов пищевого масла в биотопливо, однако, по утверждениям специалистов, как только будет налажена работа в данном направлении, около 70 % воздушных судов китайских авиакомпаний будут летать именно на смеси двух разнородных видов топлива27.

Роль биотоплива в экономическом сегменте Российской Федерации

В Российской Федерации (РФ) за последние 2—3 года биоэнергетический рынок достиг определенного прогресса в сегментах твердого биотоплива и современных технологиях энергетической утилизации отходов (производство биогаза и генераторного газа для энергогенерации/ когенерации)28. Однако существует ряд причин, вследствие которых исследования в области биотоплива в РФ продвигаются более низкими темпами. В первую очередь — достаточность органического топлива и атомной энергии, что позволяет иметь преимущество и больший запас времени для полноценного исследования, разработки и внедрения биотоплива и полного перехода на

ВИЭ. Тем не менее Россия обладает несравненно большими ресурсами биомассы по сравнению с большинством стран мира, поэтому при последующем интенсивном развитии биоэнергетики может стать крупнейшим производителем некоторых видов биотоплива.

Дальнейшее исследование в области биодизельного топлива позволит привести к снижению расходов на производство и транспортировку традиционных видов топлива. При этом использование биотоплива будет способствовать улучшению бесперебойной работы военных баз, находящихся в местах с затрудненной (в силу рельефа местности, климатических условий) электро- и газификацией, а также появится возможность использовать сточные воды в качестве питательной среды при произ-

водстве биотоплива29. После протекания полного цикла получения биомассы очищенная сточная вода может применяться в качестве технической воды, что позволит повысить автономность станций, вывести разработки замкнутых комплексов на новый уровень и улучшить санитарную обстановку. Побочными продуктами при получении биотоплива являются также белково-витаминные комплексы (БВК), которые, в свою очередь, возможно использовать для получения препаратов, способствующих укреплению иммунитета, насыщению организма микро- и макроэлементами и защите от радиационного излучения30.

В таблице 3 приведены преимущества и недостатки биодизельного топлива по сравнению с традиционным.

Преимущества Недостатки

• доступность и возобновляемость, поскольку данный вид топлива производится из растительного сырья и водорослей; • экологичность и снижение «углеродного следа» в атмосфере; • биоразлагаемость (99 % за 28 сут.)31; • более высокое цетановое число, что позволяет использовать биотопливо в дизельных двигателях без присадок; • биодизельное топливо имеет более высокую по сравнению с ископаемыми топливами температуру воспламенения (более 100 °С), что делает его безопаснее; • биодизельное топливо обладает хорошими смазочными характеристиками, благодаря чему продлевается срок службы агрегатов в среднем на 60 %; • биотопливо обладает хорошими моющими свойствами32; • при производстве биотоплива получают также жмых, который является ценным белковым кормом для животноводства • срок хранения достаточно ограничен, составляет не более трех месяцев из-за неустойчивости к окислению; • высокая вязкость биодизельного топлива по сравнению с дизельным нефтяного происхождения; • пониженные теплотворные свойства; • высокая температура кристаллизации; • единой государственной программы развития биодизельного топлива в России не существует, создаются лишь региональные программы

Таблица 3

Достоинства и недостатки биодизельного топлива по сравнению с традиционным дизельным топливом

Из всего вышеизложенного можно сделать вывод, что биотопливо по сравнению с традиционным ископаемым топливом является возобновляемым, а значит, и более экологичным, имеет большее цетановое число и требует меньшего количества синтетических присадок. По своим функциональным характеристикам биотопливо не уступает традиционному и показало свою эффективность в условиях отрицательных температур. Вероятно, недостатки такого топлива возможно устранить, разработав ряд присадок, способствующих повышению эксплуатационных свойств.

В итоге следует отметить, что в современном обществе энергетика является базой для развития основных отраслей промышленности, а результаты разработок и проведенный анализ актуальных исследований, представленный в статье, соответствуют направлению стратегии научно-технологического развития Российской Федерации «Переход к экологически чистой и ресурсосберегающей энергетике, повышение эффективности

добычи и глубокой переработки углеводородного сырья, формирование новых источников, способов транспортировки и хранения энергии».

Производство биотоплива и его применение как в гражданской, так и в военной сфере является актуальным, поскольку вопросы экологии и экономической целесообразности являются приоритетными. Таким образом, тенденция увеличения количества производства и сфер применения биотоплива очевидна, и считается, что возобновляемые источники на основе биологического сырья станут основой энергии будущего.

Из анализа состояния биоэнергетического рынка России следует, что в настоящее время разработки в направлении производства и применения биотоплива в ВС, других силовых структурах и охранных ведомствах актуальны, поскольку все необходимые ресурсы для этого имеются, а постепенный перевод части транспорта военного назначения на биотопливо может принести существенные экономические и операционные преимущества.

ПРИМЕЧАНИЯ

1 Grover A. et al. Biofuel for Defense Use: Past, Present and Future. 2019.

2 Котов А.С. и др. Обзор методов прогнозирования генерации энергии / А.С. Котов, Т.М. Сивеев, А.Г. Груздов, Е.Е. Пашков-ская // Столыпинский вестник. 2022. № 9.

3 Grover A. et al. Biofuel for Defense Use: Past, Present and Future. 2019.

4 Ковальчук М.В., Нарайкин О.С., Яци-шина Е.Б. Природоподобные технологии: новые возможности и новые вызовы // Вестник Российской академии наук. 2019. Т. 89. № 5. С. 455—465.

5- Биодизельное топливо // Эковатт. URL: http://www.greenwatt.ru/biodiesel/bio_ diesel (дата обращения: 25.12.2022).

6 Макаров И.А., Степанов И.А. Парижское соглашение по климату: влия-

ние на мировую энергетику и вызовы для России // Актуальные проблемы Европы. 2018. № 1. С. 77—97.

7 Копылов М.Н., Якушева Е.А. Гибкие механизмы Киотского протокола 1997 г. // Московский журнал международного права. 2021. № 4. С. 63—81.

8 Pinto A.C. et al. Biodiesel: an overview // Journal of the Brazilian Chemical Society. 2005. Т. 16. С. 1313—1330.

9 Зазуля А.Н. и др. Получение биодизельного топлива из растительных масел // Достижения науки и техники АПК. 2009. № 12. С. 58—59.

10 Систер В.Г., Иванникова Е.М., Ям-чук А.И. Технологии получения биодизельного топлива // Известия Московского государственного технического университета МАМИ. 2013. Т. 2. № 3 (17). С. 109—112.

11 Беляев С.В., Давыдков Г.А., Пер-ский С.Н. Биотоплива второго поколения: европейский опыт // Ученые записки Петрозаводского государственного университета. 2012. № 8—2. С. 61—64.

12 Чернова Н.И., Киселева С.В. Биотопливо из водорослей: технологии, продуктивность, перспективы // Энергия: экономика, техника, экология. 2014. № 8. С. 24—32.

13 Феофилова Е.П., Сергеева Я.Э., Ива-шечкин А.А. Биодизельное топливо: состав, получение, продуценты, современная биотехнология (обзор) // Прикладная биохимия и микробиология. 2010. Т. 4. № 4. С. 405—415.

14 Кольниченко Г.И., Сиротов А.В., Тар-лаков Я.В. Жидкое топливо: проблемы и перспективы создания и использования // Лесной вестник. 2010. № 1. С. 105—106.

15 Ковальчук М.В., Нарайкин О.С., Яцишина Е.Б. Природоподобные технологии...

16 Руднев С.Г. Цетановое число дизельного топлива и его влияние на качество горения // Новая наука: Опыт, традиции, инновации. 2017. Т. 2. № 4. С. 220—222.

17 Руднев С.Г. Влияние вязкости дизельного топлива на его свойства // Новая наука: Стратегии и векторы развития. 2017. Т. 3. № 4. С. 203—208.

18 ГОСТ 350-82. Топливо дизельное. Утвержден и введен в действие Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 31.03.82 № 1386: дата введения 1982-01-01. URL: https:// docs.cntd.ru//document/1200001406 (дата обращения: 10.12.2022).

19 Руднев С.Г. Цетановое число дизельного топлива.

20 Белозерцева Н.Е. и др. Выбор наиболее предпочтительного сырья для синтеза биодизельного топлива с позиции его выхода и физико-химических свойств // Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2020. Т. 10. № 1 (32). С. 114—123.

21 Исмаилова Л.З. Использование биодизеля в качестве топлива в двигателях: характерные особенности // Фундаментальные и прикладные исследования в современном мире. 2019. № 27. С. 46—50.

22 Демиров В.И., Середа В.В., Кудимов А.А. Роль и место службы горючего в системе материально-технического обеспечения военной организации государства в современных условиях // Военная Мысль. 2020. № 6. С. 75—83.

23 Бердибеков А.Т., Беликов К.Л., Жак-шлык Б. Биодизельное топливо как альтернатива замене традиционного вида топлива в армии // Вестник Казахской академии транспорта и коммуникаций им. М. Тынышпаева. 2017. № 2. С. 39—44.

24 Порожняков С.А. Переход армии США на альтернативное топливо // Вестник альтернативной энергетики. 2012. № 3. Вып. 27. С. 5.

25 Blakeley K. DOD alternative fuels policy, initiatives and legislative activity // Library of Congress Washington DC Congressional Research Service. 2012.

26 Армия Франции переведет свою технику на биотопливо. URL: http://www. megaresort.ru/view_n.php?id=185 (дата обращения: 25.12.2022).

27 Китайский самолет выполнил полет на горючем из пищевого масла. URL: https:// avia.pro/news (дата обращения: 25.12.2022).

28 Ассоциация участников технологической платформы «биоэнергетика» стратегическая программа исследований по биоэнергетике (Редакция 4, переработанная и дополненная). Москва.

29 Варфоломеев С.Д., Ефременко Е.Н., Крылова Л.П. Биотоплива // Успехи химии. 2010. Т. 79. № 6. С. 544—564.

30 Дутикова Ю.С., Чернова Н.И. Использование сточных вод в технологиях производства биотоплива из микроводорослей / Всероссийская научная конференция и XII молодежная школа с международным участием «Возобновляемые источники энергии» 24—25 ноября 2020. С. 206—211.

31 Абдулагатов И.М. и др. Микроводоросли и их технологические применения в энергетике и защите окружающей среды // Юг России: экология, развитие. 2018. № 1. С. 166—183.

32 Данилов А.М. Новый взгляд на присадки к топливам (обзор) // Нефтехимия. 2020. Т. 60. № 2. С. 163—171.