«Современная биомасса» предполагает использование современных технологий. Такими являются высокоэффективные конверсионные системы разной производительности - малогабаритные приборы использующиеся в быту/ конверсионные установки индустриальных масштабов. Такие приборы производят топливо нового образца - биотопливо, которое подразделяется на три вида: твердое, жидкое и газообразное.
Конверсия биомассы, с использованием технологий биоэнергетики, реализуется следующими способами:
- получение тепла и электричества посредством сжигания биомассы;
- получение тепла и электричества с помощью анаэробного сбраживания (с попутным производством метана);
- получение жидкого транспортного топлива с помощью биологической конверсии (биоэтанол из крахмало- и сахаросодержащего сырья, биоэтанол из жиро- и маслосодержащего сырья).
Ведущие страны мира, которые осуществляют политику увеличения доли ВИЭ в энергетическом балансе страны, тенденцию сохранения окружающей среды и т.д. являются двигателями тренда, который будет способствовать увеличению спроса на ВИЭ, включая биоэнергетику. Возросшая мировая экологическая ответственность является стимулом для развития рынков и отраслей, занимающихся производством «зеленой» энергии. Немаловажной составляющей для развития новых технологий и рынков энергетических продуктов на основе ВИЭ (в том числе биомассы) является концепция энергетической безопасности. На сегодняшний день 174 страны придерживаются данной законодательной политики. По оценкам IRENA, ожидается увеличение доли ВИЭ в мировой структуре энергопотребления на 21% к 2030 году. При удвоении доли ВИЭ к 2030 г. выбросы СО2 сократятся до 12 Гт ежегодно. При таком прогнозе, биоэнергетика будет составлять 50% от общего использования возобновляемой энергии, а потребление отраслью биоэнергетического сырья в связи с этим увеличится до 70%.
Направления развития технологий и рынков биотоплива в мире
Исторически основным видом биотоплива служили древесные ресурсы (в основном дрова). В современном мире категория энергоресурсов «биотопливо» включает в себя широкий спектр биотоплив:
1) твердое (дрова, древесные пеллеты, брикеты, гранулы, биоуголь, сельскохозяйственные отходы и др.),
2) жидкое (этанол, биодизель, биокеросин, моторное биотопливо 2 поколения и др.),
3) газообразное (биогаз на основе переработки органических отходов, биологический синтез-газ и др.).
В 1970-е годы два резких скачка на нефть способствовали созданию современного биотопливного рынка. Вследствие этого, для многих стран возник повышенный интерес к изучению альтернативных видов топлива. В США и Бразилии была создана индустрия биотоплива по производству этилового биотоплива (в США сырьем служила кукуруза, а в Бразилии - сахарный тростник). Быстрому развитию биотопливной индустрии послужили сформированные с/х мощности, а дополнительным стимулом для поиска новых рынков сбыта послужили низкие с/х цены. Снижение зависимости от импорта энергоносителей также являлось стратегической целью, а для Бразилии - стремление выровнять внешнеторговый баланс из-за высоких цен на нефть. Помимо издания нормативных актов создавались биотопливные рынки посредством введения обязательных требований использования биотоплива в составе моторных топлив (либо стимулирование налоговыми льготами, субсидиями и льготным кредитованием). Также, развивая собственные биотопливные программы, государства стараются регулировать импорт топлива, например, применяя тарифные барьеры для защиты внутреннего рынка.
Новый этап развития биотоплива пришелся на начало 2000-х годов. На этот момент в США и Бразилии сформировалась отрасль биотоплива, рынки и устойчивый спрос. К этому времени, в США производство этанола приобрело автономным и стало обходиться без вмешательства государства при сохранении высоких цен на нефть (после введения в 2003 году запрета на метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ)). В Бразилии также сформировалась индустрия этанола, работающая без вмешательства государства.
В государственных биотопливных программах Европейского Союза стоит в приоритете биодизель, так как половина продаваемых автомобилей оснащена дизельными двигателями. Основным источником сырья для производства биотоплива являются масличные культуры, однако своих с/х мощностей не достаточно для внутреннего потребления (или для достижения целевых показателей ЕС), поэтому биотопливные программы ЕС выходят за рамки союза, формируя рынок биотоплива и сырья в развивающихся странах. На данный момент активно развит рынок Латинской Америки и Азии.
В отличие от Бразилии и США, Европейский Союз нацелен не только на диверсификацию источников энергии, поиск рынка сбыта с/х продукции и т.д., но и на борьбу с изменением климата (Киотский протокол). European Biofuels Directive. 2003. Directive 2003/30/EC of the European Parliament and of the Council of 8 May 2003 on the promotion of the use of biofuels or other renewable fuels for transport Поэтому ЕС тщательно следит за тем чтобы соблюдались требования "устойчивости" (например, требования, установленные в Директиве по качеству топлива, в материалах Круглого стола по устойчивому освоению биотоплива и иных актах), которые формируют фундамент рынка. Политика ЕС стала более внимательно учитывать вопросы экологии, что подкрепляется взглядами гражданского общества. Harvey, M. & Pilgrim, S. 2011. The new competition for land: food, energy, and climate change. Food Policy, 36, Suppl. 1: S40-S51. ISSN 0306-9192, 10.1016/j.foodpol.2010.11.009
Широкое распространение биотопливные программы получили лишь в первом десятилетии этого века. На данный момент отсутствуют международные механизмы, способствующие предоставлению информации о реализующихся биотопливных программах в странах (их целевые показатели, налоговые льготы, законодательство, и т.п). На сайтах Международного энергетического агентства (IEA) и Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA) отражены обзоры биотопливных целевых показателей, однако все же нет информации по биотопливным программам, что затрудняет анализ и сравнение данных из различных источников.
В биотопливных программах быстрорастущих стран (Китай, Индия и ЮАР), вопрос продовольственной безопасности стал главной причиной поощрения производства биотоплива. Главная задача для Индии и Китая состояла в том, чтобы использовать непродовольственные культуры для производства биотоплива. Такой культурой является ятрофа (ядовитый орех), на которую возлагались большие надежды из-за возможности давать хорошие урожаи на малопродуктивных землях. В ЮАР возлагались большие надежды на земли коренного населения страны, которые не вводились ранее в хозяйственный оборот из-за апартеида. В Индии, Китае и ЮАР выбор культур и ожидания высоких урожаев биотопливного сырья на малопродуктивных землях не оправдал надежд.
Поддержка биотоплива началась подвергаться сомнению в связи с появлением исследований, в которых прослеживается прямая зависимость между производством биотоплива и растущими ценами на продовольствие. Так же оспаривается возможность заменить ископаемое топливо биотопливом и снизить выбросы ПГ. Также подвергается сомнению чистота энергетического баланса биотоплива (связь с обезлесением и распашкой земель, снижением последствий климатических изменений) EEA (European Environment Agency). 2011. Scientific Committee opinion on greenhouse gas accounting in relation to bionergy. 15 September. EEA. p 8
Поэтому возлагаются большие надежды на непродовольственное сырье, которое сможет расти на полях непригодных для продовольственных культур и на новые технологии.
Существуют несколько видов биотоплива: биотопливо первого, второго, третьего и четвертого поколения.
Биотопливом первого поколения являются биоэтанол, биодизель и чистое растительное масло. Сырьем для производства биоэтанола служат продовольственные культуры богатые сахаром (сахарный тростник, сахарная свекла, сорго) и крахмалом (кукуруза, пшеница, ячмень, маис, картофель, кассава, маниок). Сырье для производства биодизеля и чистого растительного масла - масличные культуры (рапс, пальма, ячмень, подсолнечник, соя). По большей части эти виды сырья используются в продовольственных целях или уходят на корм.
Рисунок 4. Схема производства биотоплива.
Биотопливом второго поколения являются биоэтанол второго поколения (лигноцеллюлозный этанол), синтетическое топливо BTL биосинтетический природный газ. Сырьем для производства биотоплива второго поколения является непродовольственная биомасса (лигноцеллюлозная биомасса) - побочные с/х продукты (кукурузные стебли, шелуха, стебли, жом тростника), отходы лесного хозяйства (древесные отходы, верхушки деревьев и ветви), многолетние травы (просо, мискантус), продукты рубки в низкоствольном хозяйстве с коротким оборотом ротации (например, ивы или тополя) и муниципальные отходы. Также ятрофу иногда называют биотопливом второго поколения несмотря на использование традиционных операционных процессов.
К биотопливу третьего поколения относят технологию производства на основе биомассы микроводорослей. Данное биотопливо не только не конкурирует с продовольственными культурами, но и не наносит ущерб продовольственным землям.
К биотопливу четвертого поколения относят прямой синтез топлива микроорганизмами.
Последние два поколения биотоплива вызывают наибольший интерес для промышленного производства в виду открывающихся перспектив снижения себестоимости конечного продукта.
Источник: Специальный доклад МГЭИК по возобновляемым источникам энергии и смягчению воздействий на изменение климата, 2011 г.
Тем не менее, в 2011 году биотопливо первого поколения по-прежнему составляло 99,85% всего производимого и потребляемого биотоплива в мире (91 300 000 тонн в год в 2011 году), а текущие производственные мощности биотоплива второго поколения из лигноцеллюлозного сырья достигли только 137 000 тонн в год. Развертывание производства биотоплива из лигноцеллюлозы не было таким быстрым, как ожидалось, и по оценкам Международного энергетического агентства (МЭА), с учетом проектов, находящихся на данный момент на этапе строительства, а также анонсированных проектов, дальнейшее развитие мощностей для производства лигноцеллюлозного биотоплива может достичь 620 000 т/год к 2018 году.
Динамика развития биоэнергетики в России
Длительное время огромный потенциал невозобновляемых энергоресурсов в нашей стране естественным образом снимал с повестки дня задачу активного развития возобновляемой энергетики, а другие цели-мотиваторы до последнего времени не квалифицировались как стратегические задачи и поэтому не находили адекватную государственную поддержку и должное развитие. Низкая заинтересованность в использовании ВИЭ порождает недостаточность развития исследовательского потенциала в наиболее актуальных фундаментальных и прикладных направлениях биотехнологии и биоэнергетики. Сложившаяся ситуация грозит увеличением технологического разрыва относительно имеющегося уровня инновационности и мировой конкурентоспособности западных экономик, возникновением риска недооценки внутренних возможностей и глобальных вызовов, а следовательно, и принятия неверных решений. Ускоренное развитие ВИЭ необходимо рассматривать как важный фактор модернизации экономики, включая создание инновационных производств и новых рабочих мест, развитие малого и среднего бизнеса, улучшение социальных условий и экологической обстановки. Биоэнергетика в российской федерации дорожная карта на 2019-2030 Подготовлена ТП «Биоэнергетика» в соответствии со Стратегической Программой Исследований, Москва 2019, стр 8
Низкие цены на традиционные энергоресурсы и высокая обеспеченность собственными запасами нефти и газа создают дополнительные сложности для использования ВИЭ и развития биоэнергетики. Не имея серьезного опыта развития возобновляемой энергетики, Россия практически не располагает собственными современными технологиями, достаточно хорошо отработанными для промышленного применения, а соответственно, - и хорошо проработанными проектами в сфере биоэнергетики, которые могли бы заинтересовать индустриальных партнеров, бизнес и инвесторов, и резкое снижение цен на традиционные энергоносители с 2014 г. делает бизнес, связанный с ВИЭ, еще менее привлекательным для инвестирования. В то же время, при интенсивном развитии биоэнергетики и более выраженной поддержке новой отрасли со стороны государства можно рассчитывать также на выход на мировой рынок не только с древесными пеллетами, но и с жидким биотопливом (биоэтанолом и биодизелем, авиационным биотопливом) и другими продуктами глубокой переработки биомассы), а рост отечественного животноводства и растениеводства на фоне усиления внимания к проблемам экологии создаёт дополнительные преимущества для развития биогазового направления. Стратегическая программа исследований по биоэнергетике (Редакция 5, переработанная и дополненная) Технологическая Платформа «Биоэнергетика», Москва 2017, стр 62
В качестве наиболее существенного препятствия для развития в России биоэнергетики можно назвать, прежде всего, отсутствие достаточных, последовательных и взаимоувязанных мер политической, законодательной и прямой финансовой поддержки, хорошо апробированных и показавших свою эффективность в мире. Как результат, за последние 10 лет, на которые пришёлся мировой пик развития ВИЭ, прирост мощности в России происходил в основном за счет гидроэнергетики, другие возобновляемые источники практически не развивались, либо использовались в крайне ограниченном масштабе. Несмотря на то, что к концу 2015 г. общая установленная электрическая мощность объектов, функционирующих на основе ВИЭ достигла 53,5 ГВт, что составило 20% от общей установленной электрической мощности в России (253 ГВт), практически вся она (51,5 ГВт) пришлась на гидроэнергетику, установленные мощности солнечных и ветряных электростанций составили 460 МВт и 111 МВт соответственно. Доля биоэнергетики оценивалась в 1,35 ГВт, однако в основном обеспечивалась энергогенерацией на основе биомассы и твердого биотоплива (пеллеты / брикеты). Формирование сегментов жидких (транспортных) биотоплив, энергогенерации на основе биогаза и переработки отходов оставалось за пределами статистической значимости. Биоэнергетика в российской федерации дорожная карта на 2019-2030 Подготовлена ТП «Биоэнергетика» в соответствии со Стратегической Программой Исследований, Москва 2019, стр 8
Наша страна является одним из мировых лидеров по запасам возобновляемого непродовольственного органического сырья. По разным оценкам, общий энергетический потенциал биомассы в России в настоящее время находится на уровне 15-20 тыс. МВт (для сравнения: мощность всех атомных электростанций в России составляет около 23,6 МВт). Кравченко, Р. В. Состояние и тенденции развития рынка биотоплива//Вестник МГУЛ. - Лесной вестник. - 2013. - № 4. - С. 188-197. По данным Росстата, потенциальное производство биогаза из биомассы в России составляет до 74 млрд м3 в год. По данным Министерства сельского хозяйства Российской Федерации, промышленность производит более 390 миллионов тонн отходов в год (сухое вещество), 700 миллионов тонн в секторе лесного хозяйства и деревообработки и 70 миллионов тонн в жилищно-коммунальном хозяйстве (твердые бытовые отходы). По данным ФГНУ «Росинформагротех», сельскохозяйственный потенциал страны оценивается в 773 млн. тонн отходов, из которых можно получить 66 млрд м3 биогаза и 112 млн. тонн удобрений. Кроме того, эффективное использование и переработка растительных и древесных отходов в биотопливо может снизить зависимость агрокомплексных хозяйств от централизованного энергоснабжения. В России ежегодно перерабатывается около 3 млн. тонн масличных культур (из которых подсолнечник - 89%, соя - 9%, горчица - 0,4%, рапс - 1,6%), а выход масла - около 40% Гарипов, Н. И., Шаймарданов, А. А. Исследование перспектив использования возобновляемых источников энергии в биогазовых установках//Инновационная наука. - 2016. - № 10. - С. 25-27.