Исследование: Сможет ли биотопливо заменить бензин для автомобилей
Постепенное истощение запасов нефти и газа, удорожание добычи углеводородов, катастрофическое загрязнение окружающей среды при добыче и сжигании угля привели к необходимости использования альтернативных источников энергии.
Особое место среди них занимает биотопливо — различные виды горючих продуктов из растительного сырья, главным преимуществом которых является возобновляемость. Сейчас главное внимание исследователей и практиков направлено на получение жидких и газообразных видов топлива для транспортных средств, а также для систем отопления и производства электроэнергии.
Неудивительно, что первым практически используемым в качестве биотоплива веществом стал обычный этиловый спирт, поскольку получение этанола из растительного, прежде всего пищевого, сырья (зерна, картофеля, сахарной свеклы и т.д.) было налажено еще несколько столетий назад. Правда, для совершенно иной цели. Но резкое удорожание нефти продемонстрировало выгодность использования этанола в качестве топлива для автомобильных двигателей внутреннего сгорания, особенно в странах с дешевым сырьем для микробиологического синтеза спирта. Первой такой страной стала Бразилия, в которой подавляющее количество автомобильного топлива обычно представляет собой смесь 80 процентов биоэтанола из сахарного тростника и 20 процентов бензина. Бразилия производит сейчас около 20 миллиардов литров биоэтанола, примерно столько же спирта (из кукурузы) поступает на рынок США.
Широкое использование спирта уже сейчас вызвало серьезную проблему — огромные площади в США заняты под посевы кукурузы для непищевых целей, поскольку фермерам выгоднее «выращивать» биоэтанол. Кроме того, этиловый спирт энергетически менее эффективен, чем бензин из-за присутствия в молекуле атома кислорода.
В России использование биотоплива на основе этилового спирта проблематично по несколько другим причинам. Во-первых, у нас законодательно ограничен оборот этанола, а во-вторых, этот спирт необходимо как-то перевести в «непитьевое» состояние — даже денатурирование ядовитым пиридином себя не оправдало. И безопасный процесс перевода уже разработан на основе давно известной реакции дегидратации — отщепления воды от молекул спиртов. При определенных условиях получается смесь углеводородов, близкая по составу к бензину. Этот вариант разработан в Институте общей и неорганической химии РАН под руководством члена-корреспондента РАН Александра Гехмана. Хотя при недавнем резком снижении цен на нефть получение синтетического бензина из этанола теряет смысл. Но даже и при повышении стоимости барреля, как подсчитали въедливые ученые, для производства 1 литра биотоплива требует более 1 литра нефти — для работы тракторов и комбайнов, для производства пестицидов и для самого микробиологического синтеза этанола.
Другим спиртом, который можно использовать в качестве возобновляемого биотоплива, является бутиловый спирт, который можно микробиологически получать из сахарного тростника, пшеницы, кукурузы, корнеплодов и даже из отходов лесопереработки. Александр Гехман приветствует этот подход.
При этом эксперт замечает, что «существует и ряд нерешенных технологических проблем, прежде всего из-за невозобновляемости микроорганизмов, используемых для производства биобутанола. Хотя если новым биотопливом удастся заместить хотя бы 5 процентов обычного бензина, это уже можно считать перспективным».
Другим видом биотоплива, производимого уже сейчас в значительных количествах, является биодизель. Это топливо, по составу близкое к дизельному топливу из нефти, получают из липидов (жиров) масличных растений — рапса в нескольких странах ЕС, подсолнечника (Франция и Италия), сои в США, Бразилии и в Африке, пальмового масла в Индонезии и Малайзии. Производство биодизеля в ЕС постоянно растет, как и импорт биодизеля из других стран. По прогнозам, объем потребления биодизеля в ЕС к 2020 году достигнет от 21 до 26 миллионов литров.
Однако увеличение площадей под возделывание этих культур приводит к росту цен на продовольствие и сведению лесов. Делались попытки получения биодизеля из водорослей, но этот процесс оказался неконкурентоспособным. Правда, появилась надежда, что проблема будет решена с помощью микроскопических грибов-паразитов, обитающих внутри древесины и расщепляющих целлюлозу с образованием смеси углеводородов. Такой способностью обладают грибы Gliocladium roseum, паразитирующие на южноамериканском кустарнике эукрифия. Самое поразительное, что при разложении целлюлозы грибы выделяют такие углеводороды, как декан, метилциклогексен, ундекан, октан и бензол. По своему составу эта смесь очень близка к дизельному топливу и вполне может использоваться вместо него. Это открытие было сделано в США, но не менее интересные разработки проводятся и в России.
Так, в работе с участием декана химфака МГУ академика Валерия Лунина была разработана и запатентована биотехнология получения биодизеля на основе липидов мицелиальных грибов, например, гриба Cunnihghamella japonica, образующего до 50 процентов липидов, близких по составу к маслу рапса. Валерий Лунин подчеркивает, что «по сравнению с растительными маслами липиды грибов имеют ряд существенных преимуществ, а именно высокая скорость роста грибов, независимость выхода продукта от сезонных и климатических условий, отсутствие потребности в посевных площадях, возможность создания безотходных технологий».
В России весьма перспективно производить биогаз — метан (или водород) из органических отходов. При этом не требуется использовать пищевое сырье и терять посевные площади, к тому же метан в 20 раз сильнее оказывает влияние на парниковый эффект и его утилизация — прекрасный способ борьбы с глобальным потеплением. Получают биометан в так называемых метан-танках с помощью метанобразующих бактерий. Трудно перечислить все виды отходов для производства биометана — это навоз, отходы многочисленных пищевых производств, фекалии, бытовые отходы, те же водоросли, органический мусор, растительные отходы и т.д. В России на агропредприятиях производится ежегодно около 800 миллионов тонн отходов, из которых можно получить около 70 миллиардов кубометров биометана, при сжигании которого — около 110 миллиардов кВт-ч электроэнергии. Метан-танки устанавливают на свалках, на очистных сооружениях пищевых производств, они могут и отапливаться биометаном. После решения проблемы раздельного сбора отходов в России можно было бы резко сократить площади полигонов твердых бытовых отходов.
Производство биотоплива, несомненно, имеет множество положительных моментов. Однако, как говорит завлаб Института химической физики РАН доктор химических наук Владимир Арутюнов: «Довольно простые оценки, которые еще 40 лет назад сделал Петр Капица, показывают невозможность обеспечить за счет возобновляемых источников энергии уровень энергопотребления развитых стран для всего населения Земли. Следует указать и на этическую сторону вопроса получения биотоплива. Более 2 миллиардов людей в мире испытывают серьезный недостаток продуктов питания. Из-за роста потребности в этаноле и соответствующего роста цен на зерно растут цены и на свинину, говядину, мясо птицы, молоко и т.д. А в России мы еще и не в состоянии полностью обеспечить свои потребности в продовольствии. И вообще, когда схлынет ажиотажный бум, место биотоплива в мировой энергетике не превысит нескольких процентов в мировом энергобалансе».
Российские автопроизводители также работают над созданием биотопливных машин. Так, еще в 2008 году три Лады Калины, заправленные смесью биобутанола и бензина, проехали 4 тысячи километров от Иркутска до Тольятти. Биотопливо для авто произвел Тулунский гидролизный завод из отходов лесопереработки — щепок и опилок. В 2010 году в ноябре прошел еще один тысячекилометровый автопробег Киров-Москва. Лада Калина на биотопливе проходила испытание и в городских условиях. Год назад создана и биотопливная Лада Гранта. Однако, по мнению производителей, маркетинговые параметры не позволяют рассматривать этот проект как самодостаточный.
Не только бензин. Какое еще топливо может использоваться в машинах?
Первые дизельные моторы могли работать на сырой нефти. Кроме того, некоторые танковые двигатели разрабатывались, чтобы потреблять любую горючую жидкость, которую мотористы могли найти в захваченных у врага складах. Поэтому в экстренных случаях военную технику можно заправлять даже смесью отработанного масла, бензина, спирта и прочих ингредиентов. Двигатели обычных машин, конечно, не имеют таких фантастических возможностей, однако в некоторых случаях даже они могут ездить на чем-то еще кроме бензина и солярки.
Спирт
В художественных фильмах можно увидеть эпизоды, когда вместо бензина в бак наливается спирт, и автомобиль способен на нем ездить. Это правда, но не вся. Машина потребляет чистый спирт, но после ряда изменений в конструкции двигателя. Причем из-за низкой теплотворности спирта количество топлива, по сравнению с бензином, увеличивается примерно в 1,5 раза. Однако при небольших добавках переделка не потребуется. Даже в старые «жигули» можно заливать до 30% спирта, не опасаясь за работоспособность силового агрегата.
Статья по теме
Способность спирта заменять бензин используется в некоторых странах мира для сокращения потребления нефтепродуктов. Там изготавливают топливо из растительного сырья. Биоэтанол — это спирт, который получают из сахарного тростника, кукурузы или злаковых культур. Бразилия и США являются лидером в производстве и использовании биоэтанола, мировое производство которого составило 36,3 млрд литров, из них 45 % относится к Бразилии и 44,7 % — к США.
Спирт в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США из кукурузы, причем там доступно несколько сортов горючего, различающегося по консистенции. Автозаправки в Бразилии предлагают на выбор либо Е20, Е25 или «acool» Е100, который почти полностью состоит из спирта. Буква «Е» в этих сортах означает английское слово Ethanol.
Обычные автомобильные ДВС не могут работать на Е85, хотя прекрасно работают на Е10. На чистом этаноле ездят только машины с усовершенствованными моторами «Flex-Fuel», которые могут работать на обычном бензине или на произвольной смеси его со спиртом.
Разрешено использование биотоплива и в России. В 2018 году был принят закон, регулирующий производство и оборот спирта для химической промышленности в качестве добавки к бензину. Правда, широкого распространения у нас этот вид топлива пока не приобрел. Немалое количество нефти делает его производство нерентабельным.
Биодизель
Дизельные моторы тоже могут обходиться без классической «солярки». В некоторых случаях они работают на смеси бензина и отработанного масла. Правда, затем потребуется ремонт и смена фильтров. Кроме того, для моторов на тяжелом топливе подходит так называемый биодизель, то есть топливо, которое имеет практически те же свойства, что и обычная «солярка». Биодизель изготавливают из растительных культур, таких как рапс, соя, подсолнух, а также из пальмового масла.
Биодизель синтезируется из различных растительных масел или животных жиров в результате химических реакций триглицеридов, то есть свободных жирных кислот, правда, процесс изготовления слишком дорог, и пока биодизель стоит заметно больше, чем обычное дизельное топливо на АЗС. В некоторых странах биодизель применяется в автотранспорте в составе смесей с дизельным топливом. Они обозначаются буквой B, а цифрами описывается процентное содержание добавок. К примеру, у В2 всего 2 % биодизеля, а в В100 — 100 % химического топлива, полученного из растительного сырья.
Газ
Двигатель внутреннего сгорания может перерабатывать не только жидкое топливо, но и газообразное. Уже давно на транспорте используется горючий газ, как в сжиженном состоянии, так и в газообразном.
Статья по теме
В мире насчитывается около 20 миллионов автомобилей, работающих на сжатом природном газе (CNG; метан). Большинство из них — это коммерческие транспортные средства, такие как автобусы и грузовики. Газ помогает заметно экономить на дальних перевозках.
Правда, для использования газа в качестве топлива необходимо купить специальное оборудование, установить на машину и зарегистрировать изменения в конструкции в ГИБДД, что требует времени и сил.
Использование газа также позволяет продлить срок службы мотора. При сгорании метана образуется намного меньше твердых частиц нагара (сажи) на стенках цилиндров и на клапанах, а также меньше выбрасывается углекислого газа и оксида азота. Однако наблюдаемое сейчас повышение цен на газ приводит к экономической нецелесообразности его применения для легковых машин.
Кроме бензина: чем заправляют машины в мире
Одной из наиболее похожих на бензин альтернатив является биотопливо. Это довольно обширная группа источников энергии, которые могут быть представлены в разных агрегатных состояниях. Главная характеристика биотоплива: оно производится из возобновляемых органических веществ (остатки растений, природные масла, водоросли, даже навоз) и при сгорании дает энергию, при этом существенно снижает количество выбросов парниковых газов. Оно часто может уступать бензину, но при этом позволяет использовать транспорт гораздо бережнее по отношению к природе благодаря возобновляемости сырья для производства нового топлива.
На сегодняшний день транспортное биотопливо представлено в основном в двух видах: этанол и биодизель.
Этанол
Его также называют биоэтанолом — это очень плотный и концентрированный спирт, получаемый в основном из сахарного тростника или из кукурузы. Большая часть биоэтанола в мире производится из сахарного тростника в Бразилии: из-за больших объемов производства и низких зарплат в стране этот вид топлива является довольно дешевым. Правда, пока далеко не все автомобили могут ездить на чистом этаноле, в основном в той же Бразилии автомобили заправляют смесью этанола и бензина в соотношении 85% к 15%. Пробег автомобилей, работающих на этой смеси, составляет примерно 75% от пробега стандартных машин на единицу объема топлива.
И все же, несмотря на относительную дешевизну и простоту в производстве, а также существенное снижение выбросов выхлопных газов, производство биоэтанола подвергается обширной критике. В первую очередь из-за того, что для удовлетворения спросов и объемов производства требуется вырубка джунглей, а освобожденные от растений и животных территории засаживаются сахарным тростником. Также, конечно, огромные споры вызывает дешевизна работы людей, занятых на плантации.
Биодизель
Этот вид топлива создается на основе растительных масел, а также (иногда) из животных жиров. Просто залить в двигатель растительное или другое масло нельзя из-за неполного сгорания, к тому же разные масла отличаются по плотности. Но идея использования остатков масел с производств не давала покоя ученым, поэтому была разработана технология, по которой растительное масло или животный жир превращаются в топливо путем этерификации — из структуры масла путем химической реакции убирается глицерин и заменяется спиртом, который обеспечивает лучшее сгорание топлива и подходящую плотность. Для производства биодизеля в разных странах используются рапс, соя, касторовое и пальмовое масло.
Как и биотопливо, при сгорании биодизель не оставляет нагара, неприятного запаха выхлопных газов, выбрасывает меньше продуктов сгорания. При этом отмечается его простота в производстве, но в то же время есть и ряд минусов: такое топливо обладает непродолжительным сроком хранения, а его КПД существенно снижается при низких температурах, в холодных условиях образуется осадок, способный снизить эффективность работы двигателя.
И все же биотопливо на сегодняшний день активно используется во многих странах, а планы по увеличению доли используемого биотоплива включены в программы экологического развития стран Европы, Северной и Южной Америки, Азии и России. По мнению ученых, активное использование и совершенствование биотоплива позволит человечеству отказаться от использования невозобновляемых природных ресурсов.
Газовое топливо для автомобилей
Еще одно популярное направление исследований в области автомобильного топлива — это газ. Естественно, далеко не любой газ может подойти для заправки автомобиля. На сегодняшний день выделяются два основных вида газового топлива: пропан-бутан и метан.
Пропан-бутан
Этот синтетический газ довольно распространен в качестве топлива, его получают при переработке нефти и впоследствии могут использовать для отопления помещений, нагревателей, а также сжиженная пропан-бутановая смесь может применяться в качестве автомобильного топлива. Но у этого вида газа есть несколько существенных недостатков: легкая воспламеняемость, большое количество вредных продуктов горения, а также более высокий расход, чем у бензина. В то же время пропан-бутан более распространен, его можно найти на многих заправочных станциях.
Метан
Бесцветный газ, не имеющий вкуса и запаха, нетоксичен для человека, но при достижении высокой концентрации в воздухе может угнетать центральную нервную систему. Часто используется как альтернатива пропан-бутана для газовых нагревателей и печей. Этот газ дешевле пропан-бутана, но он не подвергается сжижению, то есть хранить его в более компактных баллонах не получится. Это может стать проблемой для владельцев автомобилей, которые хотели бы использовать газовое топливо: метановые баллоны существенно больше пропан-бутановых.
На сегодняшний день пропан-бутан и метан являются основными видами газового топлива. Но ранее ученые экспериментировали также с водородом и сжатым воздухом.
Электроэнергия авто
Электромобили являются одной из наиболее перспективных технологий сокращения выбросов в мировом транспорте, но преимущества, которые они приносят, зависят от источника энергии, на которой они работают. Сегодня слишком мало электромобилей работают на возобновляемых источниках энергии. Чтобы они стали действительно экологичным вариантом, это должно измениться.
По данным Международного энергетического агентства (МЭА), к 2030 году количество пассажирских транспортных средств, работающих на электричестве, на дорогах мира может превысить 250 миллионов, в то время как, по оценкам Международного агентства по возобновляемым источникам энергии, количество электробусов и других транспортных средств массового транспорта может превысить 10 миллионов.
Поскольку у них электрический двигатель вместо двигателя внутреннего сгорания, электромобили не выделяют выхлопных газов, а это означает, что, в отличие от традиционных транспортных средств, они не выбрасывают углекислый газ, озон и твердые частицы в воздух, которым мы дышим.
Это важно, поскольку на транспорт приходится около пятой части глобальных выбросов, при этом на автомобильные поездки приходится целых три четверти этого объема. Большая часть этого приходится на легковые транспортные средства — легковые автомобили и автобусы, на долю которых приходится 45,1%. Остальные 29,4% приходятся на грузовые автомобили, перевозящие грузы.
Более того, это число будет только увеличиваться, поскольку рост населения и демографические сдвиги стимулируют все больший спрос на автомобильные поездки, не говоря уже о росте электронной коммерции, увеличивающей потребность в грузоперевозках.
Сможет ли газ заменить бензин как более чистое топливо для авто
По запасам газа Россия первая в мире. Как топливо для автомобиля, газ в 2-3 раза дешевле бензина и дизеля. При его использовании в два раза меньше стоит обслуживание машины и в полтора раза увеличивается срок службы двигателя. Но, несмотря на эти преимущества, развитие газомоторного транспорта в нашей стране идет медленно. Его доля от всего парка машин — менее 1%.
.jpg)
РИА Новости
В правительстве сейчас прорабатывается вопрос об увеличении объемов потребления газа как моторного топлива для городов — участников федерального проекта «Чистый воздух». Он предусматривает сокращение на 20% объема выбросов в атмосферу в 12 крупных промышленных центрах РФ. Бюджетное финансирование проекта — 100 млрд рублей.
Одновременно в нашей стране работает программа «Развитие рынка газомоторного топлива». По ней к концу 2024 года объем потребления природного газа в качестве моторного топлива увеличится до 2,7 млрд кубометров (в 2021 году -1,3 млрд кубометров), количество газозаправочных станций — до 1273 единиц (сейчас — 637 станций). Бюджетное финансирование — 19,3 млрд рублей.
Первая проблема видна уже из приведенных цифр. Как пояснили «РГ» в компании «Газпром газомоторное топливо», в 2021 году в России построено 133 новые газозаправочные станции. Из них субсидии получили 98 объектов. Трехлетний опыт работы компании в программе показывает необходимость корректировки изначально заложенного принципа по ограничению числа получателей субсидии. Они не дают возможности получения поддержки во всех регионах, заинтересованных в развитии рынка газомоторного топлива (ГМТ).
Можно просто посчитать. Для достижения целевого показателя за три года, включая 2022 год, нужно построить еще 636 станций. То есть увеличить инфраструктуру в два раза, строя в среднем по 212 газозаправочных станций в год. При этом уже сейчас темпы ввода станций гораздо выше, чем темпы их загрузки.
По данным «Газпром газомоторное топливо», мощности газовых заправок с 2017 года увеличились в полтора раза, а их загрузка выросла лишь на 5%. При этом только у 376 станций, принадлежащих группе «Газпром», мощность более 2 млрд кубометров в год. К началу декабря 2021 года российский парк транспорта на природном газе составил 250 тысяч автомобилей. Но для достижения целевого показателя потребления газа как моторного топлива нужно 600 тыс. таких машин. В 2021 году было переоборудовано больше 15 тысяч авто (в 2020-м — свыше 10 тысяч). И прирост транспорта на газу происходит в основном за счет переоборудования, констатируют в компании.
Мощности газовых заправок с 2017 года увеличились в полтора раза, а их загрузка выросла лишь на 5 процентов
Но, несмотря на это, газовых заправок все равно недостаточно. В связи с более низкой теплотворной способностью газа по сравнению с бензином и дизелем на одном и том же объеме ГМТ можно проехать меньшее расстояние, чем на баке, залитом нефтяным топливом, поясняет доцент Финансового университета при правительстве РФ Валерий Андрианов. По его мнению, если в относительно небольших странах с высокой плотностью населения данный фактор не выглядит столь критичным, то в России с ее расстояниями (особенно в Сибири и на Дальнем Востоке) — это серьезная проблема. Поэтому залог развития газового транспорта — это строительство большого количества заправочных комплексов. Понятно, что бизнес не будет вкладывать деньги в соответствующие проекты без крупномасштабной поддержки со стороны государства, считает эксперт.
Именно фактором плотности населения можно объяснить то, что лидерами по использованию ГМТ являются южные регионы страны — Ростовская область, Краснодарский край, Ставропольский край, Республика Татарстан, Свердловская область, Республика Башкортостан.
Кроме того, как пояснил Андрианов, значительная часть сжиженных углеводородных газов (СУГ), которые наряду с сжиженным (СПГ) и компримированным природным газом (КПГ) используются в качестве ГМТ, экспортируется. Поэтому потоки СУГ распределяются в сторону тех регионов, где есть экспортные транспортные мощности. Отсутствие экспортной транспортной инфраструктуры как раз сдерживает производство СУГ на Дальнем Востоке, а в южных регионах с их черноморскими портами такой проблемы нет.
Инфографика «РГ»/Александр Чистов/Сергей Тихонов
Если посмотреть, где потребление ГМТ больше всего развито в мире, то это страны — импортеры газа и нефти, вроде Армении, Италии или Индии, где плотность населения велика, хорошо развита инфраструктура заправок, а ГМТ значительно дешевле бензина и дизеля. К примеру, в 2021 году литр АИ-95 в переводе на наши деньги в Армении стоил около 75 рублей, а килограмм СУГ — около 40 рублей. Сравнение не совсем корректное, но разницу цен показывает. Еще есть страны, где газ стал использоваться как топливо для автомобилей, чтобы не мешать экспорту нефти, ранее более доходному бизнесу нежели экспорт газа. Это, к примеру, Аргентина и Бразилия. Исключением из этого списка является Иран, который развил сектор ГМТ благодаря санкциям США, которые ограничили участие иностранного капитала в нефтегазовой отрасли страны. В результате зависимость от импорта бензина в Иране к 2006 году достигла 45%. И тогда же была принята программа развития газового транспорта.
Как отметил руководитель направления «Экономика отраслей ТЭК» Фонда ЦСР Александр Амирагян, перспективы ГМТ для всех видов транспорта связаны с расширением его использования в развивающихся странах, где цена на топливо и экономия на нем при выборе автомобиля имеет решающее значение. Кроме того, в этих странах необходимо решить вопрос дефицита электроэнергии, что может стать преградой для массового распространения электромобилей в будущем и сохранить ниши для газовых автомобилей. Также имеется потенциал роста использования природного газа в грузовых автоперевозках и на морском транспорте, где использование СПГ может стать эффективным, считает эксперт.
С этим согласен партнер практики стратегического и операционного консалтинга КПМГ Максим Малков. С его точки зрения, учитывая тренд на рост цен на газ и его активное вовлечение в замену угля, а также развитие газохимии и водородной энергетики, не стоит ожидать в развитых странах использование его в личных автомобилях, они будут также двигаться в сторону электричества. А вот для грузовых авто есть перспективы — здесь не решена проблема запаса хода и размера батарей, отмечает эксперт.
Соответственно и в России наибольшие перспективы ГМТ связаны с коммерческим транспортом, как пассажирским, так и грузовым. И главным тормозом для развития этой сферы являются два фактора — недостаточная заправочная инфраструктура и одновременно отсутствие необходимого для рентабельной работы заправочных станций количества газовых авто. Без машин не будет заправок, а без заправок не будет машин. Замкнутый круг, а такого рода проблемы не решаются без государственной поддержки.
