Замена ископаемого и производство биотоплива из биомассы является важной продвигаемой стратегией для уменьшения воздействия изменения климата и повышения безопасности поставок и диверсификации источников энергии.
Большие ожидания в отношении альтернативных источников энергии и тот факт, что большинство стран в связи с увеличением использования энергетических культур предполагают необходимость проведения более детального анализа производства биоэнергии.
Транспортное топливо, полученное из биологического материала, или биотопливо, является привлекательной возобновляемой альтернативой ископаемому топливу. Оно является устойчивым, снижает зависимость от нефти и потенциально генерирует более низкие выбросы парниковых газов, чем ископаемое топливо.
Однако вклад в энергетические запасы стран будет в значительной степени зависеть от энергоэффективности технологии производства биотоплива, законов и политики, включая сельскохозяйственную практику и субсидии.
Энергоэффективность биомассы
Чистая энергоэффективность биомассы рассчитывается как отношение получаемой к энергии, используемой при ее производстве. Затраты энергии на производство являются суммой ресурсов, используемых для производства семян, удобрений, пестицидов, агропроизводства, использования техники, хранения биомассы, а также транспортировки.
Полученную энергию рассчитывают как отношение выхода сухого вещества и валовой калорийности биомассы. Произведенная чистая энергия должна быть уменьшена на 10% неизбежных потерь урожая.
Наибольшая чистая энергия была получена при выращивании зерна кукурузы и пшеницы, а также травянистого растения мискантуса, благодаря высокой урожайности этих культур.
Производство каждой культуры сопряжено с определенными затратами, в случае известных растений выращивание картофеля характеризовалось наибольшими затратами.
Таким образом, энергоэффективность сельскохозяйственных культур выражалась как соотношение между энергетической ценностью урожая и инвестициями в выращивание. Эта величина во многом обусловлена интенсивностью производства и условиями произрастания растений.
Используемое биотопливо
Преобладающим биотопливом, используемым в настоящее время, является этанол на основе зерна, обычно производимый из кукурузы или пшеницы.
Однако производство этанола требует большого количества земли и воды, а также затрат удобрений и энергии. Это приводит к потенциальной конкуренции с источниками продовольствия для землепользования и с другими промышленными и коммерческими потребностями в воде.
Нынешняя технология является достаточно энергоемкой, и большая часть энергии поступает от электричества или отопления на основе ископаемого топлива, компенсируя некоторые преимущества. По некоторым оценкам, это исключает все преимущества и массовое производство биотоплива как источника биоэнергии имеет низкую энергетическую рентабельность.
Таким образом, производство этанола требует большого количества земли и воды, а также затрат удобрений и энергии.
Один из анализов ученых показал что, если бы все мировое производство зерновых культур было преобразовано в этанол, не оставляя ничего для продовольствия, общий объем производства составил бы приблизительно 14 миллионов баррелей нефтяного эквивалента в день. В отличие от этого, текущая добыча сырой нефти составляет примерно 85 миллионов баррелей нефтяного эквивалента в день.
Сокращения выбросов парниковых газов от биоэнергии
Согласно исследованию, касающемуся сокращения выбросов парниковых газов, использование биотоплива по отношению к бензину и дизельному топливу только этанол, производимый из лигноцеллюлозных установок, может сократить выбросы парниковых газов на требуемые учеными 60%.
Этанол, получаемый из пшеницы, позволяет снизить выбросы парниковых газов на 30-60% , а биодизель из растительного масла на 40-55%. Однако выбросы N2O в результате производства биотоплива не приводят к сокращению глобального потепления. Относительные темпы потепления климата, вызванные выбросами N2O из производства кукурузы, рапса и пшеницы, позволяют предположить, что использование жидкого биотоплива негативно скажется на глобальном потеплении.
Целью исследования явилась предварительная попытка сравнить экологическое воздействие различных культур на производство биотоплива с использованием анализа жизненного цикла. Результаты и обсуждение расчетных выбросов парниковых газов составляют 1,2-2,7 т экв. CO2 на гектар.
Тесты показывают очень большое расхождение результатов от исследований. Выбросы парниковых газов рассчитывались на основе энергетического баланса с использованием показателей.
Преобразования целлюлозы
Для достижения заявленных целей в области возобновляемого топлива разработана технология преобразования целлюлозы (содержащейся в древесине, траве, коммунальных отходах и других непищевых источниках) в топливо вместо использования растительных продуктов.
Целлюлозный этанол (этиловый спирт) можно получить из волокон растений — целлюлозы. Однако рентабельность этого биотоплива убыточна.
На сегодняшний день производство биотоплива на основе целлюлозного этанола из-за энергоэффективности очень мало.
Водорослевое биодизельное топливо
К другим технологиям, готовящимся к внедрению после 2020 года, относятся, в частности, водорослевое биодизельное топливо, топливо, получаемое из водорослей, и биобутанол, топливо, получаемое в настоящее время из сахаров и крахмалов, но потенциально из целлюлозной биомассы.
В отличие от этанола или этилового спирта, который должен транспортироваться грузовиками и баржами, водорослевое биодизельное топливо и биобутанол имеют более высокое содержание энергии, чем этанол.
Водорослевое биодизельное топливо может транспортироваться через существующую инфраструктуру, такую как нефтепроводы.
Как недостаток, проблема использования в холодное время года и невозможность длительного хранения.
Однако для обеспечения важной роли любого из этих видов биотоплива в нашем энергетическом будущем необходимо решить значительные технические и стоимостные проблемы.
В любом случае ежегодная энергетическая перспектива предусматривает сохранение незначительной роли биотоплива в течение следующих 25 лет. Их вклад в общий объем поставляемой энергии ничтожен.
Выводы
Анализ производства биотоплива из сельскохозяйственных культур и водорослей для производства энергии является предварительной попыткой выяснить энергетический менеджмент производства.
Очевидно, что обычное производство биоэнергии из растительных культур не может оказать существенного влияния на мировой спрос на нефтяные виды топлива, химические вещества и материалы.
Возможно производство биоэнергии из лигноцеллюлозы, как из отходов, так и из целенаправленно выращиваемых энергетических культур появится в промышленных масштабах в ближайшие десятилетия.
