Биоэнергетика и сельское хозяйство

Прекрасного пути наши дорогие и внутреннего слышания!

№ 1 (69) январь 2008 г

На Международной выставке «Agritechnica-2007» в Ганновере многие экспозиции и целый павильон № 27 были посвящены тематике «Биоэнергия». Современное сельское хозяйство, будучи потребителем энергии, сегодня становится и ее производителем. При этом создается уникальная возможность получения экологически чистой возобновляемой энергии из растительного сырья. В связи с задачами по энергосбережению возможности биоэнергетики имеют особую важность для Республики Беларусь. В данной статье анализируются состояние, проблемы и перспективы освоения биоэнергетических ресурсов в странах мира (в основном Германии и США).

В развитых странах мира государственными законами и мерами поощрения стимулируется выращивание и использование возобновляемого органического сырья для производства разнообразной энергии. В последние годы особенно сильно развивалось производство биогаза, биодизеля и рапсового масла для замены дизельного топлива и биоэтанола для добавления к бензину.
Под возобновляемым сырьем следует понимать все продукты растительного и животного происхождения, которые используются не только в целях производства продовольствия для людей и кормов для животных, но и для создания энергии. Культуру для производства возобновляемого сырья принято называть энергосодержащей в том случае, если основной продукт ее (более 50 % вновь созданной стоимости) используется для преобразования в энергию. При различном направлении использования биологической массы различают растения для производства возобновляемого сырья, используемого для технических («non-food») целей и для получения энергоносителей.

Под биомассой понимают общую массу органических веществ, создаваемых и преобразовываемых в результате деятельности живых организмов. Биомассу можно подразделить на первичные продукты, к которым относят возникающие при прямом использовании солнечной энергии в процессе фотосинтеза, и вторичные продукты, которые образуются преобразованием или разложением органической массы.
Под биоэнергией понимают энергию, произведенную из биомассы. По значимости и объемам производимой биоэнергии приоритетными направлениями являются использование различных видов растительного сырья для сжигания и других видов переработки для получения биодизельного топлива, этанола, метанола и биогаза.

ПОЛУЧЕНИЕ ЭНЕРГИИ ИЗ БИОМАССЫ
Непосредственное сжигание твердой биомассы известно давно. Сегодня имеется множество более эффективных вариантов переработки биомассы растений в тепловую энергию или мощность. Одна из самых многообещающих технологий — использование биомассы для получения высокой температуры, мощности, топлива и химикатов — газификация. Газификация преобразовывает различные виды биомассы в синтетический газ (syngas) — горючую смесь угарного газа и водорода (H2). Системы газификации биомассы могут превратить ненужный (утилизируемый) материал биомассы низкого качества в ценную высокую температуру и электричество. Такие системы обычно разрабатываются, чтобы соответствовать требованиям мощности различной обрабатывающей промышленности. Газогенератор преобразует опилки и древесные отходы в горючий газ для получения высокой температуры и электричества, возмещая 100 % использования средств. Для сжигания могут использоваться различные виды растительного сырья (табл.).

Революционной культурой в сельском хозяйстве для производства энергии является мискантус — быстрорастущий тростник семейства мятликовых. Известно около 40 видов этого растения, которые распространены в тропической, субтропической и теплоумеренной зонах Азии, Африки и Австралии, в России (2 вида). Многолетники 80—300 см высотой, обычно образующие крупные, довольно рыхлые дерновины с ползучими корневищами, основания побегов одеты кожистыми чешуевидными листьями. Мискантус — выносливое растение, растущее по 10 лет и более, в случае необходимости удаляется гербицидом. Он практически не требует затрат на возделывание и после посадки не нуждается в уходе. Низкие эксплуатационные расходы выращивания открывают широкие возможности использования данной культуры. Урожай собирается при помощи обычных кормоуборочных комбайнов, а полученная масса может идти непосредственно на выработку тепла или перерабатываться в топливные брикеты или пилеты (гранулы). Одна тонна сухой массы мискантуса эквивалентна 400 кг сырой нефти. Снижение себестоимости при получении урожая не менее 18 т/га обосновывает выращивание мискантуса только в больших объемах. Доходность может быть повышена через субсидии и снижение налогов, а также если использовать часть посевов для последующего размножения культуры и продажи рассады. Данные были посчитаны при условии средней урожайности 15 т/га и стоимости 49 евро/т.

ПРОИЗВОДСТВО И КОНКУРЕНТОСПОСОБНОСТЬ БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА
Производство биодизельного топлива из рапсового масла является одной из целей социально-энергетической политики Евросоюза. С 1994 по 2004 г. производство рапса для биодизеля возросло в 9 раз, в то время как количество рапса для продовольствия, смазок и других целей увеличено в незначительной мере. В 2006 г. производство биодизеля составило 2,2 млн т, с долей производства биодизеля в Германии из рапсового масла — 1,1 млн т. Продажа биодизеля с 1991 по 2006 г. возросла в 5,5 раз, а число коммерческих заправочных станций увеличилось с 251 в 1994 г. до 1 900 в 2005 г. Ввели в строй промышленные мощности для производства биодизеля. Это развитие является результатом государственного субсидирования выращивания рапса для производства биотоплива и освобождения биотоплива от налогов, которыми облагаются минеральные топлива, до 2009 г. В результате в Германии расширились посевные площади под рапсом, доля которых в разных регионах уже намного выше допустимой, что усложняет фитосанитарную ситуацию. Предпосылкой для использования биодизеля в двигателях автомобилей, тракторов и сельхозмашинах является разрешение производителей двигателей использовать биодизель, иначе они не смогут гарантировать качество работы своего товара. Как правило, современная техника пригодна для использования биодизеля, и особых проблем в эксплуатации не возникает. Обеспечивается качество топлива согласно требованиям Европейского стандарта DIN EN 14214. Биодизель в Германии сегодня — самый контролируемый вид топлива. При условиях действующего освобождения биодизеля от налогов на минеральное масло этот вид топлива станет конкурентоспособным в Германии при цене 75 долларов США за 1 баррель нефти. Однако его положение ухудшается с принятием нового закона о налогообложении минеральных масел с июля 2006 г., согласно которому с 1 августа 2006 г. снимается освобождение биодизеля от налогов, и они постепенно повышаются с 9 евроцентов за 1 л биодизеля в 2006 и 2007 гг., 15 — в 2008 г., 21 — в 2009 г., 27 — в 2010 г., 33 — в 2011 г. до 45 — в 2012 г., что соответствует налогам на обычное дизельное топливо. Этим снижается конкурентоспособность биодизеля не только в отношении к минеральному дизельному топливу, но и к импорту биодизеля из Таиланда и Малайзии, где данный вид топлива производится из пальмового и пальмо-ядрового масел и достигает конкурентоспособности к минеральному маслу при цене 45 долларов США за 1 баррель нефти. В какой мере компенсируется ухудшение рыночного положения биодизеля из озимого рапса обязательным примешиванием 5 % к минеральному дизелю в Германии, пока трудно оценивать. Это касается и дальнейшего освобождения биодизеля от налогов при использовании в сельском хозяйстве. Так как применение биодизеля связано с более высокими затратами (требуется на 5 % больше горючего, сокращаются интервалы между техническими уходами и сменами смазок, капиталовложения на специальные емкости для биодизеля), экономическая эффективность в большой мере зависит от дальнейшей конъюнктуры цен на нефть. Причем экологическое преимущество однозначно у биодизеля.

Рентабельность производства биодизеля зависит и от продажи рапсового жмыха. В то время как рынок жмыха на корм насыщен, имеется возможность его реализации в качестве твердого топлива и субстрата для ферментации в биогазовых установках. Но при его использовании не дается бонус для возобновляемого сырья.
В 2006 г. рапсовое масло было на 10 евроцентов/л дешевле, чем биодизель, и на 26 евроцентов/л дешевле, чем обычное дизельное топливо, но для его использования необходимо переоборудовать двигатели, т. к. по многим показателям оно существенно отличается от произведенного из нефти. Для легковых машин такое переоборудование стоит 1 000—5 000 евро, для грузовиков и тракторов — 5 000—10 000 евро. На выставке «Agritechnica-2007» демонстрировались тракторы с отдельными топливными баками для обычного и биодизельного топлива. Подача компонентов топлива в двигатель осуществляется в зависимости от нагрузки и теплового режима для поддержания оптимального режима работы. В других случаях необходимые изменения у двигателей касаются предварительного нагрева моторного блока, увеличения поперечного разреза проводов в системе низкого давления топлива, усиления насосов низкого давления топлива, добавления фильтров топлива, регулирования температуры рапсового масла перед насосом высокого давления, изменения угла впрыска и оптимизации сжигания с помощью электронного регулирования.
Качество рапсового масла в Германии должно соответствовать требованиям стандарта DIN V 51605. Оно, в отличие от биодизеля, помимо сельского хозяйства пока не нашло широкого применения, о чем говорит и небольшое количество коммерческих заправочных станций (150). В нынешних экономических условиях производство масла и использование рапсового масла в Германии выгодно в более крупных хозяйствах или кооперативах, с интенсивностью загрузки пресса более чем 3 000 ч в год. Экономическое преимущество при этом состоит и в том, что при производстве биотоплива в собственном хозяйстве создание добавленной стоимости остается в хозяйстве, а не происходит извне, в сфере переработки и торговли.

ПРОИЗВОДСТВО БИОЭТАНОЛА
В 2005 г. в мире производилось 45 млн т биоэтанола, из них в Бразилии и США — 70 %, а в Евросоюзе — только 7 %. В последние годы созданы большие мощности для производства биоэтанола, прежде всего из пшеницы, тритикале, ржи и сахарной свеклы. По закону требуется с 2007 г. 3 %-е примешивание этанола к бензину. Выход биотоплива с 1 га при производстве биоэтанола выше, чем при производстве биодизеля или рапсового масла — он составляет у рапсового масла и биодизеля 1 500 л/га, у биоэтанола из зерна — 2 500—2 800 л/га, что соответствует эквивалентам к биодизелю и бензину 1 470, 1 390 и 1 631 л/га соответственно. Затраты на производство биоэтанола из пшеницы составляют в Германии около 62 евроцента/л, а из сахарной свеклы — около 70 евроцентов/л. Экономическая эффективность производства биоэтанола из зерна в большой мере зависит от эффективной реализации барды. Сушка ее требует много энергии и удорожает производство. Более эффективно при экономических условиях Германии использование ее для производства биогаза. Но производство биоэтанола в Германии не может конкурировать с импортным биоэтанолом из Бразилии, произведенным из сахарного тростника. При выходе 6 000 л биоэтанола/га тростника и стоимости 20—25 евроцентов/л его цена на европейском рынке составляла в 2002 г. меньше 40 евроцентов, включая транспортные расходы и импортные пошлины.
Производство этанола в США в 2006 г. составило почти 5 млрд галлонов (1 галлон = 3,787 л), что приблизительно на 1 млрд галлонов больше, чем в 2005 г. Ожидаемое производство к 2009 г. превысит 10 млрд галлонов. Производство этанола, как ожидают, более чем удвоится через несколько лет и достигнет 12 млрд галлонов к середине следующего десятилетия. Дальнейшее расширение выпуска этанола, как ожидают, будет более умеренным. Однако производство этанола возрастет больше чем до 12 млрд галлонов к 2015 г. (рис.). К 2017 г. объемы производства этанола составят около 8 % ежегодного использования бензина в США.
Высокие цены на нефть увеличили стоимость бензина и подняли ценность этанола, обосновывая необходимость экономичности его производства. Устранение использования канцерогенного MTBЕ (метил-трет-бутиловый эфир) в качестве окислителя также увеличило спрос на этанол как добавку для бензина.
Увеличение производства этанола существенно затронуло рынок зерна. Объемы производства зерна достигнут 4 млрд бушелей (1 бушель = 35,24 л) ежегодно в 2010—2011 гг. Поскольку промышленность этанола поглотит большую долю урожая зерна, более высокие цены на зерновом рынке усилят конкуренцию среди производителей и иностранных покупателей зерна. Долгосрочные прогнозы Министерства сельского хозяйства США показывают, что средние цены на зерно кукурузы могут достигнуть 3,75 доллара США за бушель в 2009—2010 гг., а в 2016—2017 гг. ожидается их снижение до 3,30 доллара США за бушель, поскольку замедлится расширение производства этанола. Цены на зерно при этом будут рекордно высокими и превысят предыдущий максимальный показатель в среднем за любой 5-летний период более чем на 50 центов за бушель.
Высокие цены на зерно кукурузы затрагивают роль зерна как корма, использование которого в животноводстве США типично и составляет 50—60 % от общего количества. В связи с более высокими ценами на зерно, используемое для животноводства, за следующее десятилетие снизится до 40—50 % его применение на корм.

Подорожание зерна также поощряет фермеров увеличивать посевные площади, что происходит в основном за счет изменения соотношения в севообороте кукурузы и сои. Проводимое в 2007 г. увеличение площадей под кукурузу сопровождалось сокращением посевов сои (на более 8 млн акров в сравнении с 2006 г.). Еще большее снижение предполагается в долгосрочных прогнозах Министерства сельского хозяйства США. С сокращением производства ожидается повышение цен на сою. Как с зерном кукурузы, это уменьшает экспорт и запасы сои.
В итоге увеличенное использование зерна кукурузы для производства этанола приводит к повышению цен, которые для восстановления равновесия на рынке зерна вызывают изменение других требований и роста количества поставок. В этих условиях запасы зерна уменьшены, поскольку сектор пытается балансировать через ценовые сигналы, совмещая текущее использование с будущими потребностями рынка. Более низкие запасы делают сектор потенциально более изменчивым и восприимчивым к различным воздействиям, например, сокращению производства из-за засухи или поражения вредителями и болезнями.
В США, по различным оценкам, производится 1,4 млрд т клетчатки (целлюлозы), которая также может быть переработана в этанол. Выход этанола из 1 т целлюлозы составляет 70 галлонов, что незначительно ниже выхода из зерна кукурузы (100 галлонов). В ближайшие 20 лет планируется приложить большие усилия для развития данной технологии с получением энергии из целлюлозы. Производство биодизельного топлива из семян рапса сопровождается его выходом в количестве приблизительно 1 520 л/га при урожайности семян 3,5 т/га. Также имеет перспективы производство биодизельного топлива на основе импорта из Азии и Бразилии и переработки более дешевого пальмового масла, сои или сахарного тростника со всеми экологическими преимуществами.

ПРОИЗВОДСТВО МЕТАНОЛА (BTL-ТОПЛИВА)
Более высокая экономическая эффективность и конкурентоспособность ожидается при производстве метанола, или BtL-топлива (BtL = биомасса-liquid). Выход топлива с гектара при этом достигает более 3 200 л/га, а эквивалентов к дизелю и бензину — до 3 000 л/га. Такое топливо имеет ряд преимуществ:
• возможность его производства из разных видов возобновляемого сырья (древесины, соломы, растительной массы специально выращенных культурных растений, зеленой массы сенокосов и пастбищ, а также пустующих земель);
• легкое приспособление к разным концептам двигателей, т. е. не надо переоборудовать двигатели, им можно заправить автомашины на всех заправочных станциях;
• возможность изменением давления, температуры и катализаторов при синтезе и последующей переработке производить бензин и дизельное топливо с желаемыми свойствами (топливо-«дизайнер»);
• эффективное сжигание, так что выход вредных выхлопных газов очень низок.
В настоящее время реализуются соответствующие проекты для создания опытных типов автомашин и синтеза соответствующих биотоплив концернами Chrysler/Daimler и Volkswagen, а фирма Choren Indusries строит первый завод для производства BtL-топлива, так называемый SunFuel, из соломы.

ПРОИЗВОДСТВО БИОГАЗА
По немецкому закону о преимуществе возобновляемой энергии (EEG), сельскохозяйственным предприятиям дана возможность производить из биогаза в собственных теплоэнергостанциях электрический ток не только для внутрихозяйственных нужд, но и для продажи электроконцернам. При этом основная оплата зависит от мощности установки (от 8,4 до 11,5 центов/кВт•ч). При использовании исключительно возобновляемого сырья для ферментации, которое соответствует требованиям закона о возобновляемом сырье (жидкий навоз и другие органические удобрения; растения и их части, которые получают в сельском и лесном хозяйстве или при уходе за ландшафтными элементами), они получают добавочно бонус для использования возобновляемого сырья в зависимости от мощности установки в размере от 2,5 до 6,0 центов/кВт•ч. В результате этих поощрений число биогазовых установок в сельском хозяйстве Германии возросло со 100 в 1992 г. до 4 250 в 2006 г. с установленной мощностью свыше 900 МВт. При этом в последние годы происходило постоянное увеличение средней установленной мощности. Если в 2000 г. она составляла 75 кВт, то в 2003 г. — 350 кВт. Возможное производство биогаза оценивают в Германии от 417 ПДж (пессимистический вариант) до 751 ПДж (оптимистический вариант, с учетом улучшения сортов и технологий). Основной биомассой для производства биогаза являются растительные остатки и органические побочные продукты, выращиваемые культурные растения для производства биогаза (их потенциал в Германии составляет около 2 млн га), животные экскременты и навоз.

В настоящее время основным растительным субстратом для ферментации служит кукуруза на силос, которая составила в 2005 г. 80 % материала для ферментации. Вместе с тем, имеется ряд проблем, которые следует решить для повышения эффективности выработки биогаза из биомассы:
• пока коэффициент полезного действия при превращении биогаза в электричество еще низкий;
• в хозяйствах с биогазовыми установками и в севооборотах вокруг их доля посевной площади под кукурузу возрастет до 100 %, что отрицательно повлияет на окружающую среду, повлечет обеднение флоры и фауны в агроэкосистемах, поэтому требуется расширение спектра специальных культур, пригодных для ферментации;
• тепло, возникающее в теплоэлектростанциях, использующих биогаз, применяется в основном для отопления хозяйственных помещений и жилых домов; пока нет решений для эффективного использования этого тепла в летнее время, что снижает экономическую эффективность процесса;
• хотя выход энергии с 1 га при производстве биогаза почти в 5 раз выше, чем при выращивании рапса для использования в качестве горючего, пока биогаз широко использовать, в отличие от природного газа, невозможно, для этого требуется его особая очистка и, таким образом, добавочные инвестиции.
При очистке биогаза возникает возможность его передачи в сеть трубоводов для природного газа. Реализация этой возможности зависит от конкурентоспособности биогаза.
При общей насыщенности продовольственного рынка Евросоюза — с одной стороны, и подорожания ископаемых энергоносителей и экологических проблем при их добыче — с другой, производство биоэнергии из биомассы, выращенной в стране, является перспективным направлением для сельского хозяйства многих стран. Экономическая эффективность производства того или иного вида биоэнергии в большей степени зависит от дальнейших изменений цен и доступа к источникам ископаемых, от конкурентоспособности производства биоэнергии в сравнении с ископаемыми энергоносителями (нефть, природный газ), а также с биотопливом, произведенным в более благоприятных регионах мира.
Дальнейшее развитие производства биоэнергии требует интенсивного научно-исследовательского сопровождения, начиная от селекции ресурсоэффективных культур и технологии их выращивания до разработки новых эффективных решений производства и использования биоэнергии. Переход к производству биоэнергии требует в каждом отдельном случае точных экономических и экологических обоснований и расчетов, практически реализуемых технических решений с учетом местных условий. Опыт большинства стран мира показывает, что развитие энергетической отрасли сельскохозяйственного производства невозможно без создания государством соответствующих рамочных условий, начиная от законодательства и заканчивая субсидированием (хотя бы временным) производства биоэнергии.

А. В. КЛОЧКОВ,
доктор технических наук, профессор, УО «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия»,
Фото Ш. Кларнера, фирм-производителей

Дата добавления: 2015-05-08