Развитие биоэнергетики как одна из актуальных проблем аграрной экономики

Что такое биоэнергетика?
Биоэнергетика – производство энергии из возобновляемого биологического сырья (культурных растений, растительных остатков, навозной жижи, органических остатков пищевой промышленности, а также бытовых и промышленных отходов)
Энергетические продукты:
Биотопливо (биоэтанол, биодизель, биогаз)
Тепло

Биоэтанол
Сырье:
Сахаросодержащие – сахарная свекла, сахарное сорго, сахарный тростник
Крахмалосодержащие – кукуруза, зерновые, картофель, маниока, топинамбур
Целлюлозосодержащие – солома, древесина

Производство биоэтанола
В 2007 г. в мире произведено около 70 млн. кубометров (2000 г. – 28 млн.)
Из них 2/3 – в Бразилии (20 млн.) и США (30 млн.)
Евросоюз – 4 млн. кубометров
Сырье в Бразилии – сахарный тростник, в США – кукуруза, в Евросоюзе – зерно (50-60%), виноград, сахарная свекла

Сахарный тростник в Сан Пауло

Производство биоэтанола
В целом более ½ мирового производства биоэтанола – из зерновых культур
В 2007/2008 экон. году в США в биоэтанол переработано 86 млн.т. Зерна (больше, чем весь годовой урожай России (80 млн.т)
Еще 20 млн.т – остальные страны
Т.е. в целом 105-110 млн.т зерна пошло на биоэтанол (5 % от потребления)
Общемировое потребление -2,1 млрд.т

Биоэтанол в СНГ
В России неиспользуемая пашня – 20 млн.га (т.е. 20-30 млн.т зерна)
Новые установки по производству биоэтанола: Россия (Липецк, Ростов, Краснодар и др.), Белоруссия (Мозырь, Бобруйск)
Украина для выполнения закона по добавке в топливо 2% биоэтанола должна производить мин. 90 тыс.т в год

Особенности биоэтанола:
Содержит на 35 % меньше энергии, чем обычный бензин – это ведет к повышению расхода топлива на 1/3
При сжигании выделяется лишь столько СО2, сколько растения аккумулировали из атмосферы в процессе роста (однако на его производство расходуется традиционное топливо, поэтому полного баланса нет)
Примешивается к традиционному топливу (макс. до 20-25%), и это не требует изменений в моторе
Альдегиды (высокое содержание в этаноле) удерживаются специальными катализаторами

Дизельное биотопливо
Растительное
масло
(рапсовое,
пальмовое и др.)
Метиловый эфир

Производство растительного масла
В России в 2006 г. под рапсом 207 тыс. га, в 2007 г. – 460 тыс. га, в 2008 г. – до 1 млн.га – это около 2 млн. т продукции. Себестоимость биодизеля 22 руб./л (дизель – 17-18)
В Украине уже производится 1 млн.т семян рапсового масла, 23 завода по производству биотоплива

Растительное масло
Плотность энергии 9,2 кВт-ч./л (бензин 8,6 кВт-ч./л, Дизельное топливо – 9,78)
Нейтрально по выделению СО2
Свободно от серы, тяжелых металлов и радиоактивности (состоят только из С, Н и О)
Диз. двигатели не требуют большой доработки (предварительный нагрев топлива, увеличение диаметра топливных шлангов)

Проблемы растительного масла
Вязкость в 20 раз выше обычного диз. Топлива
Его сложнее воспламенить (цетановое число ниже – 40-42), хуже испаряется и смешивается
Сильное коксование горячих поверхностей – чаще нужно менять смазку двигателя, чаще ТО

Метиловый эфир
Производится обычно из рапсового масла
Резкое снижение выбросов в атмосферу твердых частиц, углеводородов и угарного газа
Некоторое повышение выделения оксидов азота
Больше расход топлива (по сравнению с обычным диз. топливом)

Биогаз (Biomass to Liquid – BTL)
Производится из твердой биомассы (дерево, солома и т.п.)
Наиболее «чистое» сгорание
Наиболее «дружественное» топливо по отношению к двигателю
Нейтральный баланс углекислого газа
В 2020 г. (прогноз) – производство биогаза обеспечит до 25 % сегодняшней потребности в топливе
Но ограничены возможности получения биомассы, хотя намного шире, чем для биодизеля или биоэтанола (отходы пищевой промышленности, бытовых отходов и пр.)

«Урожай» топлива с 1 га

Ферма
Дом
ТЭЦ
Электро-
сети
Растительное сырье
Переработка
С.-х.
использование
Теплица
Котельная
Теплосборник
Накопитель
Биореактор
Ферментированная
навозная жижа
Электро-
энергия
Тепло

Биоэнергетика и агрорынок
2007 г.
Затраты зерна на производство биоэтанола = 110 млн. т (5% от производства зерна – 2,1 млрд.т)
Биодизеля – около 9 млн.т (потребление растительного масла – 160 млн.т, т.е. тоже 5 %)

Биоэнергетика и агрорынок
Мировые запасы зерна сокращаются
Население растет на 80 млн. чел. в год
Доходы населения также растут
Потребление зерновых увеличивается на 1,5 – 2 % в год
Рекордные цены на зерно и растительное масло

Факторы, влияющие на потенциал биоэнергетики
Расширение сельхозугодий (Юж. Америка, Африка, СНГ) + выведенные из сельхозоборота в Европе и Сев. Америке
Повышение урожайности (ГМО, быстрорастущие лесопосадки)
Использование побочных продуктов (отходы, остатки и т.п.)
Биотопливо «второго поколения» (этанол из целлюлозы, биогаз)

7,0 млрд. человек; 1,4 млрд. га пашни; 350 млн. га паров и залежей

Пары и залежи в % к площади пашни в 2003 г
Fallow land in % of arable land in 2003

Использование многолетних залежей (≈ 50 млн. га в России)

Возможные перспективы, устраняющие конкуренцию
биотоплива и продуктов питания
‘Вторичные’ масла для технического применения (вкл. Био-дизель)
* Низкокачественные животные жиры
* Использованные растительные масла
* Масла из специальных промышленных культур (Ятрофа, Альгае)
‘Первичные’ масла для потребления в пищу
* Высококачественные масла из сои, рапса, подсолнечника,…)
* Специальные масла с высокой питательной ценностью (оливковое, рыбий жир, льняное,…)

Внешний вид: Небольшое дерево (3-5 м высотой)
Выращивание: Изначально использовалось в качестве живой
изгороди для защиты посевов от диких животных
Условия возделывания: Способно расти на бедных заброшенных землях
Устойчиво к засухам, но требует некоторого
количества влаги для получения хороших семян и производства масла
Характеристика: Большинство сортов токсичны (Phorbol esters)
Поэтому не может использоваться в пищу, только на технические нужды
JATROPHA CURCAS

JATROPHA CURCAS
Habitat : (Sub)-tropic regions (Asia,Africa,Central America)

JATROPHA CURCAS – CURRENT ST ATUS
Available area : ± 60 Mio Ha wastelands available (India, China, Africa)
from which 50% can be used for Jatropha plantations
Planted today : ‘Only’ 500.000 Ha (est.), mainly as pilot plantations
Oil yield : ± 1.5 ton/Ha.yr for mature trees (with irrigation)
Forecast : 10-15 Mio Ha by 2010-2015 yielding 15-20 Mio Ton oil
Challenges : Domestication of the plant, toxicity of the plant,
plantation management, harvesting
Economical potential : High and realistic, but today still uncertain
Economics today are difficult to calculate

MICRO-ALGAE
Microscopic photosynthetic organisms (3 – 30 µm) that are able to grow in both salt and fresh-water environments.
Algae biomass may contain up to 50% oil
H2O + CO2 + Nutrients + Photons ? Algae Biomass + O2 (Photosynthesis)

MICRO-ALGAE CULTIVATION
OPEN PONDS
PHOTO BIOREACTOR
Shallow water layer (20 cm)
30-50 ton biomass/Ha.yr
More controlled growth conditions
60-70 ton biomass/Ha.yr

MICRO ALGAE – CURRENT STATUS
Photosynthetic : Theoretical max. : 300 tons biomass/Ha.yr
Efficiency Reasonable target : 80 tons biomass/Ha.yr
Oil yield : Today : ± 10 tons/Ha.yr
Future : 25-40 tons/Ha.yr (= 5-8 times palm oil yield)
Challenges : Algae harvesting and oil extraction
Thick cell walls not permeable to hexane
Algae too small for mechanical pressing
Production cost : 300 - > 1000 euro/ton oil (difficult to estimate)
Current status : Current production systems are not yet economically viable
R&D still necessary (yield increase, cell harvesting and
oil extraction)

Soy/rape oil
~10 million tons
Animal fats
~15 million tons
Jatropha oil
~20 million tons
???
Algae oil
~10 million tons
???
Palm oil
~ 20 million tons
FAD, acid oils, …
~ 5 million tons
100 million tons
2020 ?
Used oils
~20 million tons
FUTURE OUTLOOK