ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, 2010, том 80, № 5-6, с. 522-532
ИЗ РАБОЧЕЙ ТЕТРАДИ ИССЛЕДОВАТЕЛЯ
На примере Московского региона впервые оценены основные затраты технической энергии при выращивании, уборке соломы зерновых культур и транспортировке тюков до ворот биозавода, а также возможность и ограниченность производства биотоплива из соломы. Рассмотрены и перспективы производства биотоплива из отходов деревообрабатывающей промышленности.
ПРОИЗВОДСТВО БИОТОПЛИВА ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
Г.А. Булаткин
Положение страны характеризуется коэффициентом энергообеспеченности, представляющим собой отношение производства энергоресурсов к их потреблению. Если коэффициент меньше единицы — страна удовлетворяет свои потребности за счёт импорта, если больше единицы — страна экспортирует ресурс. В 2000 г. коэффициент обеспеченности стран "восьмёрки" выглядел следующим образом: Канада — 1.5; Франция — 0.5; Германия — 0.4; Италия — 0.16; Япония — 0.2; Великобритания — 1.2; США — 0.74; Россия — 1.6. Доля углеводородного топлива в общемировом энергопотреблении составляет 80—81%, атомной энергии — около 6% и возобновляемых источников энергии — 12—14% [1].
Россия — одна из ведущих стран по добыче и экспорту природных энергоносителей, и в настоящее время вопрос о дефиците энергии в нашей стране не стоит. Однако запасы легкодоступных углеводородов уменьшаются, поэтому необходимо не только готовиться к производству возобновляемых энергоресурсов, но и стремиться продлить на десятилетия за счёт замещения углеводородного топлива на внутреннем рынке время использования нашего экспортного углеводородного потенциала [2].
БУЛАТКИН Геннадий Александрович — доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник Института фундаментальных проблем биологии РАН.
Во многих странах предпринимаются попытки производства из растительного сырья биоэтанола, биобутанола, биодизеля в качестве добавок к углеводородному топливу в различных соотношениях (от 5 до 85%) в целях получения смеси, которую называют биотопливом. Создание биотопливной промышленности в значительной мере направлено на энергетическое обеспечение транспорта, поскольку на транспортные нужды уже расходуется около 40% мирового энергоресурса [3]. Возможными источниками сырья для производства биотоплива второго поколения (из непродовольственного сырья) могут быть торф, побочная продукция растениеводства и дерево-переработки, в частности, солома и пожнивные остатки зерновых культур, древесные опилки.
В Институте фундаментальных проблем биологии РАН разрабатываются альтернативные сценарии развития производства биотоплива из растительного сырья в условиях России, в основу которых положен эколого-энергетический подход к анализу природно-антропогенных комплексов. В расчётах оцениваются допустимое изъятие растительного сырья агросферы для промышленной переработки в биотопливо, запасы деловой древесины, потребность и возможные объёмы производства энергии из возобновляемых источников в настоящем, ближайшем будущем и в перспективе. Исходными переменными величинами являются урожайность зерновых культур, площади их посева, изменение поголовья крупного рогатого скота, динамика посевных площадей, уровень плодородия пахотных почв, объёмы переработанной древесины, количество автомобильного транспорта.
Разработаны методики, выявлены закономерности формирования затрат технической энергии на производство биотоплива в цепи "поле—завод" на примере Московской области, оценена возможность отчуждения органического вещества из агросферы и степень удовлетворения по-
ПРОИЗВОДСТВО БИОТОПЛИВА ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ ИЗ РАСТИТЕЛЬНОГО СЫРЬЯ
523
требности в биоэтаноле для карбюраторного автотранспорта Москвы. Показаны также возможные размеры производства биоэтанола из отходов деревопереработки в настоящее время, на перспективу до 2020 г. и поступление дополнительной энергии в топливно-энергетический баланс страны в эти сроки.
Проблема производства энергии из растительного сырья многопланова и противоречива. При производстве альтернативного топлива в первую очередь должна ставиться задача получения дополнительной энергии, то есть энергии сверх затрат технической энергии на получение энергоносителя. В связи с этим для оценки эффективности производства возобновляемой энергии мы предложили применять коэффициент абсолютной энергетической эффективности, показывающий соотношение между содержащейся в синтезированном из растительной биомассы топливе энергии и затраченных на его производство ресурсов технической энергии [4].
Если в конечном объёме, например, жидкого органического топлива содержится энергии меньше, чем затрачено технической энергии на его получение на всех этапах производства, процесс абсолютно энергетически не эффективен и получение данного энергоносителя в больших масштабах не целесообразно. При энергетическом анализе необходимо учитывать также экономию технической энергии на транспортировку углеводородного топлива в отдалённые или неудобно расположенные для подвоза места, где планируется производство и применение альтернативного энергоносителя. Однако производство биотоплива с нулевым или отрицательным балансом возможно, если при его использовании достигается положительный экологический эффект в местах потребления "чистой" энергии.
В отечественной литературе обычно не детализируются возможные регионы использования биотоплива в России. Более того, в некоторых публикациях настойчиво проводится мысль, что производимый в стране биоэтанол в первую очередь предназначен для экспорта. Основной довод заключается в том, что биоэтанол в стране приравнивается к питьевому спирту и облагается акцизным сбором, а это делает производство экономически нерентабельным. Можно возразить, что, во-первых, биоэтанол в России ещё не производится, и, во-вторых, ничто не мешает принять закон об отмене акциза на это топливо, как сделано в западноевропейских странах, в Украине и Казахстане.
На наш взгляд, в России одной из приоритетных целей применения биотоплива должно быть улучшение экологической ситуации в крупных городах и промышленных агломерациях. В нашей стране на долю автотранспорта приходится 90% общего объёма вредных веществ, поступающих в
.155
150
1-1 &
о Я
т «
3 135
о
о ¡^
8
145
140
130
г3 125
^ 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0
Урожайность, т/га
Рис. 1. Соотношение урожайности соломы и затрат технической энергии на подбор и прессование соломы
атмосферу от всех видов транспорта. По величине автовыбросов резко отличается Москва — более 800 тыс. т в год. В остальных девяти крупных городах России этот показатель находится в пределах 100—200 тыс. т в год.
Одним из предполагаемых источников сырья для биотоплива могут служить солома зерновых культур и их пожнивные остатки. Энергозатраты на солому при выращивании зерновых культур в поле определялись нами через учёт расхода технической энергии на производство и внесение удобрений, соответствующих содержанию азота, фосфора и калия в урожае соломы. При этом коэффициент потребления азота минеральных удобрений был принят 0.6. Рассчитанный по такой методике расход энергии на получение 1 т соломы при выращивании озимой пшеницы составил около 190 МДж/т. Заметим, что урожайность зерновых культур оказывает существенное влияние на энергозатраты при уборке соломы: с увеличением продуктивности они резко падают в расчёте на 1 т (рис. 1).
Подбор тюков после прессования — энергоёмкая операция, зависящая как от урожайности соломы, так и от расстояния до места штабелевания (рис. 2). Сельскохозяйственная техника по уборке соломы зерновых культур может быть различных марок, но закономерности связи урожайности с затратами технической энергии на 1 т соломы останутся аналогичными установленным. Энергозатраты на перевозку тюков соломы до биозавода зависят от расстояния. Например, затраты технической энергии при перевозке автомашиной ЗИЛ-555 с приспособлением ТШН-2.5 составляют на расстояние 10 км — 150.6 МДж/т, 40 км — около 601 МДж/т, более 70 км — 1052 МДж/т.
Вышеприведённый анализ рассматривает только одну, энергетическую, сторону проблемы. Однако в зависимости от площади посевов зерновых культур, численности скота в регионе, интенсив-
524
БУЛАТКИН
н 260 Э 240
Ц§220 &
§ 200
| 180
| 160 Т
140 1_ 1.0
1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 Урожайность, т/га
Рис. 2. Соотношение урожайности соломы и затрат технической энергии при подборке тюков
ности внесения органических удобрений, количества автотранспорта, а также перспектив сохранения почвенного плодородия выводы о возможности переработки соломы в биоэтанол или биобутанол могут быть диаметрально противоположны.
На первом этапе внедрения биоэтанола в Москве он может использоваться в качестве 5%-ной добавки к бензину, поскольку такая добавка не требует изменения двигателя автомобилей. При ежесуточном потреблении бензина в 10 тыс. т потребуется 182.5 тыс. т биоэтанола в год.
В Московской области посевы зерновых культур занимали 97.8 тыс. га в 2008 г. При этом в хозяйствах всех категорий получено более 285.2 тыс. т соломы. Солома яровых зерновых культур — хороший корм и обычно полностью используется в животноводстве. Поэтому для производства биоэтанола остаётся солома озимых. Посевы озимой пшеницы и ржи в 2008 г. занимали в Подмосковье 42.5 тыс. га; их урожайность составила 3.0 и 3.2 т/га, соответственно.
При соотношении зерно : солома, равном 1 : 1, сбор соломы озимых в Подмосковье достигает 127.2 тыс. т. Часть её применяется на подстилку крупному рогатому скоту. На 1 января 2009 г. в области содержалось 316 тыс. голов, в том числе 148.1 тыс. коров (www.msh.mosreg.ru). При норме подстилки 0.5 т/голову в стойловый период для всего поголовья требуется 158 тыс. т соломы. В итоге непредназначенной животноводству соломы не остаётся. Однако в силу ряда организационных и экономических причин солому для подстилки обычно заменяют на древесные опилки. Значительная часть соломы после уборки зерновых культур сжигается на поле.
Важно иметь в виду, что изъятие побочной растительной сельскохозяйственной продукции из агросферы имеет отри
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.