В последние два года сильно повысился интерес к различным видам биотоплива, который провозглашается даже в политических выступлениях. На первый взгляд, биотоплива позволят обеспечить постоянным доходом сельское население, которое часто страдает от глобализации; снизить выбросы углерода, таким образом решая задачи Киотского протокола. И, наконец, биотоплива сокращают зависимость от нефти, что важно для многих развитых стран. Однако насколько риторика соответствует реальности?

Существует два основных вида биотоплива: биодизель, изготавливаемый из растительных масел методом этерификации спиртов, (обычно метанола), и биоэтанол, продукт ферментации растительных сахаров.

Биодизель обычно производится из растений, содержащих большое количество растительных жиров: рапс (канола), подсолнечник, сафлор, горчица, хлопок, пальма, кокос или соя. Кроме того, есть возможность изготавливать его из говяжьего и свиного жира и из жира домашней птицы, а также из отработанного сала/жира в ресторанах.

Биоэтанол, наоборот, лучше производить из крахмалсодержащих растений - крахмал при гидролизе образует сахара, которые затем подвергаются ферментации. В Соединенных Штатах популярна кукуруза, а в Бразилии больше используется сахарный тростник; кроме того, в качестве сырья часто используют маниоку.

Типичные для биотоплива характеристики приведены в таблице ниже.

Спорный вопрос

Мировое энергопотребление ежегодно возрастает примерно на 2%. В настоящий момент наибольшую часть энергии получают из нефти - это около 40%, из природного газа и угля (по 22-23% от каждого), небольшие пропорции представлены ядерной, гидроэлектрической энергией, энергией биомассы, ветра, солнца и т.д., как показано на рисунке. Здесь биомасса попадает в категорию «другие», вместе с геотермальной и другими возобновляемыми видами энергии, за исключением гидроэлектрической. Несмотря на повсеместное применение дерева в качестве топлива для приготовления пищи в развивающемся мире, его значение минимизируется по сравнению с другими видами энергоносителей, особенно в развитых странах.

Несмотря на то, что использование энергии продолжает расти, повышается также эффективность ее использования, а уровень потребления энергии на человека и на единицу ВВП снижается. Однако притом, что биомасса в настоящее время обеспечивает настолько маленький процент от общей потребности в энергии, для достижения сколько-нибудь значительного места в мировой или даже в региональной энергетической шкале необходимо радикально увеличить ее использование. Возможно, понадобится ежегодный рост более чем на 10% - и даже тогда к 2030 году она будет обеспечивать лишь 7-8% мировой потребности в энергии. Например, даже если вся выращиваемая в Соединенных Штатах Америки кукуруза будет переработана в этанол, это обеспечит только 27% нынешней энергетической потребности транспорта США. Но есть также и другие помехи.

  

Экономика

Повышенный интерес к биотопливу стимулируется крайне высокими ценами на нефть и газ, при этом биологические виды топлива из своего узкого рыночного сегмента переносятся на уровень крупного бизнеса с многомиллиардными оборотами. Однако рост значения биотоплива привел к возникновению напряженности на традиционных пищевых товарных биржах/рынках, а быстрый рост спроса на этанол вызвал повышение цен и напряжение на бразильском и американском рынках. Существенное снижение цен на нефть маловероятно в ближайшие 2-3 года, пока в Соединенных Штатах сооружаются 32 завода по производству этанола (общей мощностью около 7,6 миллиардов литров); после окончания строительства и пуска производства общая производительность в стране достигнет 25,7 млрд. литров. Однако в более долгосрочном плане цена на нефть может упасть до таких уровней, при которых реализация кукурузного этанола станет проблематичной. Высказывались прогнозы о падении до $40/баррель в среднесрочный период при открытии новых месторождений, а в долгосрочном плане возможны цены в $25-30/баррель.

Как сообщалось в издании «Fertilizer International» (выпуск 409, Ноябрь/Декабрь 2005, стр. 13-17), серьезные опасения вызывает экономика биологических видов топлива. Исследователи вычислили, что их производство требует больше энергии, чем они позволяют генерировать, а их себестоимость выше, чем у топлив из нефтепродуктов, (Natural Resources Research 14, №1, Март 2005). Указанная энергетическая составляющая включает удобрения и воду, необходимые для выращивания растений, а также пар и электричество, необходимые для их переработки, в то время как экономические издержки включают труд, гербициды, ирригацию и использование машин, а также удобрения. Более низкая плотность энергии этанола по сравнению с бензином также повышает транспортные издержки и снижает эффективность работы мотора. Авторы рассматривают производства из различных видов сырья, включая кукурузный крахмал, просо, древесную целлюлозу, соевые бобы и подсолнечное масло, но во всех случаях энергетический и экономический баланс оказываются отрицательными.

Вопросы сельского хозяйства

Решение сельскохозяйственных проблем тоже представляется не вполне однозначным. Продовольственные потребности человечества по-прежнему имеют преимущественное значение по сравнению с энергетическими. При работе с такими растениями, как кукуруза, сахарный тростник и рапс, также необходимо принимать во внимание ограниченность водных и земельных ресурсов. В мире, и особенно в развивающихся странах, ощущается все большая нехватка пахотной земли для производства продовольствия.

Для успешного пахотного земледелия необходима земля, солнечный свет, вода (осадки или ирригация) и удобрения. Солнечный свет, как правило, не является единственным ограничивающим фактором, и, хотя удобрения очень важны, они все же не настолько необходимы, как земля, солнечный свет и вода. В настоящее время и в обозримом будущем удобрения теоретически можно доставить в любую часть света, где бы они ни понадобились, вопрос лишь в схеме поставок и в цене. Однако доступность земельных и водных запасов может стать решающим ограничением.

Огромные территории на планете являются непригодными для земледелия: наибольшая часть Канады, значительная часть России (субарктический регион и тундра), северная часть Африки, юго-запад Соединенных Штатов, Аравия, Центральная Азия, центр Австралии, юго-западная Африка и некоторые южные части Южной Америки. Более того, в связи с индустриализацией развивающихся стран и с опустыниванием некоторых пограничных областей наблюдается постоянное сокращение пахотных земель, доступных для выращивания продуктов питания, в пересчете на душу населения. В 1960 году население земного шара составляло 3 млрд., площадь пахотных земель в мире - 1,3 млрд. га, площадь пахотной земли на душу населения - 0,44 га, а доступное количество продуктов питания на душу населения составляло 2287 калорий. В 1990 году население земного шара составляло 5,3 млрд. (увеличение на 76,7%), площадь мировых пахотных земель - 1,4 млрд. га (увеличение на 7,7%), площадь пахотной земли на душу населения - 0,27 га (сокращение на 63,0%), а доступное количество продуктов питания на душу населения - 2697 калорий (увеличение на 17,9%). За последние годы площадь мировых пахотных земель, возможно, несколько увеличилась, но площадь пахотной земли на душу населения, вероятнее всего, сократилась. Более того, «зеленая революция» по большому счету уже позади, и дальнейшее повышение урожайности культивируемых земель будет происходить постепенно, за исключением некоторых регионов, например Африки. Возникают серьезные вопросы относительно того количества людей, которое наша Земля физически способна прокормить; прогнозы ООН варьируются от 8 до 10 миллиардов - не слишком обнадеживающие цифры для цивилизации, которая уже сегодня насчитывает 6,5 миллиардов человек и предположительно достигнет 8 млрд. к 2030 году.

В Европейском Союзе масличные культуры для производства биодизеля выращиваются на плодородных землях, где специально для этой цели было приостановлено выращивание пищевых культур. Доля этого сегмента колеблется между 5 и 10% всех культивируемых земель, в зависимости от потребностей конкретного момента, и в настоящее время составляет 8%. Однако этого далеко не достаточно для производства того количества топлива, которое необходимо для замещения значительной части ископаемого топлива, используемого в ЕС.

Так же к вопросу о доступности земельных угодий следует добавить, что в сельском хозяйстве считается плохой практикой выращивание одной и той же культуры на поле в течение нескольких лет, поэтому возникнет необходимость в своевременной ротации культур, что еще более снизит прогнозируемый урожай. В целом же при дальнейшем росте мирового народонаселения доступность плодородных земель достигнет критических показателей и будет крайне трудно оправдать переключение земельных угодий от производства пищи к производству энергии.

Дефицит воды

Растения нуждаются в получении воды в достаточном количестве и в нужное время цикла роста. Все полевые культуры, служащие сырьем для биотоплива, получают воду из осадков и, следовательно, изменения климата, ведущие к сокращению количества осадков в пригодных для выращивания этих культур районах, могут послужить серьезным препятствием. В регионах, где большое количество воды потребляется населением и промышленностью, даже при наличии искусственной ирригации биотопливные культуры могут испытывать недостаток влаги, особенно если возделываются также другие зерновые культуры.

В Китае, например, быстрая индустриализация и модернизация приводят к стремительному увеличению потребностей в воде. В то же время рост промышленности и несовершенные технологии утилизации сточных вод влекут за собой загрязнение речных систем, из которых население получает основную часть воды для домашних нужд и ирригации; особенно это касается северной части страны. Прибрежное сельское хозяйство усугубляет загрязнение, являясь причиной попадания удобрений и пестицидов в реки, озера и подземные воды. Во многих местах качество воды упало настолько, что она стала непригодной ни для каких целей; появляются сообщения о повышении заболеваемости раком и другими болезнями в селениях, расположенных рядом с большими реками. В 2005 году прошли демонстрации фермеров в провинции Чжэцзян, где с 2002 г. были введены в строй 13 химических заводов по производству удобрений, красок и пестицидов. Фермеры утверждали, что отходы с этих производств отравляют колодцы с питьевой водой и являются причиной появления мертворожденных детей и врожденных дефектов. В Китае площади орошаемых земель очень велики, но возможности их увеличения подходят к концу. Площадь орошаемых земель увеличилась на 42,7% между 1970 и 2000 гг., но между 2000 и 2003 гг. изменения были очень малы.

Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН сообщила в мае 2006 г., что некоторые западные и северные провинции Китая испытывают недостаток продуктов питания по причине продолжительной засухи. По предварительным оценкам, пять миллионов га озимых культур потеряны либо сильно повреждены из-за недостатка осадков и высоких температур. Наиболее пострадали провинции Юньнань, Ганьсу, Нинся, Внутренняя Монголия и Хэбэй. В некоторых районах провинции Нинся не выпадало значительных осадков в течение 600 дней. В провинции Хэбэй уровень подземных вод упал на 0,6 м. 

Все растения в ходе своей жизнедеятельности потребляют углекислый газ. Разумеется, этот углекислый газ выделяется вновь при использовании растения в качестве топлива либо при его переработке для дальнейшего сжигания. В этом смысле биомассу можно назвать нейтральным топливом - она не увеличивает общего содержания углерода в атмосфере. Однако в данном случае не учитываются энергозатраты на возделывание земли, подготовку удобрений и пестицидов, транспортировку, сушку и переработку в пригодное к употреблению топливо. Значительный вклад в это вносят удобрения: для того, чтобы в промышленных масштабах переводить азот в связанное состояние, необходимо получать аммиак в ходе энергоемкого процесса Габера-Боша. При этом для производства одной тонны аммиака тратится около 31 млн. БТЕ (британских тепловых единиц) ~ 544 670 квт, а если сырьем служит не природный газ, а уголь либо иное вещество, требующее неполного окисления, то энергозатраты возрастают до 41 млн. БТЕ ~ 720 370 квт. И хотя производство фосфатов и калия обходится гораздо дешевле (основные методы – механическое извлечение, измельчение, сушка и т.д.), в целом удобрения отвечают за 45% энергозатрат при производстве биоэтанола и 24% - при производстве обычного биодизеля. Для биодизеля энергозатраты имеют тенденцию к повышению из-за потери части метанола в реакции трансэтерификации, на что уходит еще 35% энергозатрат.

Однако, несмотря на все это, по результатам анализа жизненного цикла (LCA) в целом биодизель производит на 75% меньше углекислого газа, чем добыча, переработка и сжигание соответствующего количества ископаемого топлива, хотя этот факт оспаривается некоторыми исследователями.

Биотопливо в мире

Исторически, до недавнего времени самым активным сторонником биотоплива являлась Бразилия, уже много лет в большом количестве производящая этанол из сахарного тростника. Но уже сегодня лидерство здесь принадлежит Соединенным Штатам, которые стали крупнейшим потребителем биоэтанола. В своем последнем энергетическом законопроекте правительство Буша пошло еще дальше, предложив использовать этанол вместо топливной добавки метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ), поскольку выпуск последнего постепенно свертывается из-за экологических проблем. В настоящее время в США выделяются значительные суммы на исследования различных видов биотоплива, а совсем недавно крупнейший американский нефтяной концерн «Шеврон» согласился инвестировать 12 млн. долл. в течение ближайших пяти лет в серию совместных исследований с Институтом Технологий Джорджии. Их цель - создать технологии для переработки биомассы, например отходы деревообработки и сельского хозяйства, в целлюлозное биотопливо и/или в водород. Использование отходов вместо таких ценных культур, как сахарный тростник, кукуруза и соя, воспринимается как огромный прорыв в развитии биологических видов топлива. Исследование рассматривает водную фазу риформинга для переработки древесины или травы напрямую в водород или углеводородное топливо, в том числе и в метанол.

Несмотря на наличие обширных запасов нефти, Нигерия пытается разработать производство биотоплива для внутреннего потребления с целью увеличения валютных поступлений от продажи нефти за рубеж, а также стимулировать развитие поселений в сельской местности, для этого планируется создать до 200 тыс. рабочих мест. Сахарный тростник и маниока – это основное сырье для производства топливного этанола в Нигерии. Уже сейчас эта страна является крупнейшим производителем маниоки (примерно 30 млн. т/год) и вдобавок внимательно следит за успешным опытом Бразилии в развитии индустрии производства этанола из сахарного тростника. В Нигерии обширные земельные пространства потенциально пригодны для выращивания сахарного тростника. В данный момент инициатива находится на стадии экспериментального проекта, планируемая площадь тростниковых плантаций составляет 10 000 - 20 000 га, мощность производственного комплекса - 70-80 млн. литров этанола в год; планируемая площадь плантаций маниоки – 5 тыс. – 10 тыс. га, мощность производственного комплекса - 50-60 млн. литров этанола в год.

Правительство Индонезии намеревается в этом году построить четыре пробных завода по производству биодизеля в рамках программы поддержки альтернативной энергии. Эти заводы общей стоимостью 33 млн. долл. строятся в Калимантане и на Суматре, и будут производить 6 тыс. т биодизеля в год из пальмового и касторового масла.

Таиланд собирается запретить с конца текущего года использование топливной добавки метил-трет-бутилового эфира (МТБЭ), производимого из метанола. Подобно США, Таиланд планирует использовать в качестве топливной добавки этанол, но получать его собираются из выращиваемой в стране маниоки, а не из более дорогого сахарного тростника, как в США. Однако, как и в Соединенных Штатах, существует опасение, что внезапный запрет МТБЭ повлечет за собой резкий рост цен на бензин, и не прекращаются слухи о том, что правительство может перенести дату запрета с 2007 на 2008 г. Тайское правительство отменило субсидию на этанол, подобную существующей в США, но в результате резкого роста спроса в последние три года этанол становится все более дорогим.

Представляется, что в Таиланде, в отличие от США, перемены вызваны не заботой об экологии, а стремлением к топливной безопасности. Газовые запасы Таиланда начинают не справляться с растущими потребностями, и страна, в которой 70% электростанций работают на газе, вынуждена рассматривать варианты импорта сжиженного природного газа (СПГ). Первые партии СПГ прибудут из Ирана в 2011 г., тем временем таиландское правительство ведет переговоры с другими возможными поставщиками.

Китай также собирается принять участие в повальном увлечении биотопливом, запуская в Гуанси-Чжуанском автономном районе собственную пробную программу по производству этанола из маниоки мощностью до 1 млн. т/год через пять лет. В Гуанси уже производится 60% маниоки Китая, это около 8 млн. т/год. Корнеплод морозостоек и хорошо растет на полуплодородных землях этого региона. Плантации маниоки планируется увеличить с 260 тыс. га до 670 тыс. га. Китай уже сейчас является третьим по величине производителем этанола в мире, главным образом из кукурузного крахмала, 9 провинций используют 10% этанол-бензиновую смесь («Е10») в. Китай сейчас производит 10,2 млн. т/год бензина Е10 и планирует распространить эту схему на остальные 22 провинции.

Заключение

В целом, увеличение мирового народонаселения и глобальное потепление приведут к сокращению площадей, пригодных для выращивания продовольственных культур. Продовольственные культуры будут сохранять приоритет по сравнению с биотопливными, и поэтому будут иметь преимущество при распределении земельных ресурсов. Такие факторы, как изменение характера распределения осадков в результате глобального потепления, прирост населения и быстрый и массированный рост индустриализации в развивающихся странах, включая Китай, неизбежно сократят пригодные для неорошаемого земледелия площади.

Объемы биотоплива, получаемые из культур с неорошаемых земель (кукуруза, рапс, сахарный тростник, пальмовое масло), из-за ограничений по земельным площадям будут способны покрывать лишь малую долю потребности в транспортном топливе до тех пор, пока не будут налажены технологии экономичного производства биотоплива из целлюлозы (биомассы). Подобные технологии сейчас активно разрабатываются, в том числе такими компаниями, как BP, DuPont и Chevron, но о результатах говорить пока рано, вряд ли работа принесет плоды в ближайшие 10 лет. Кроме того, даже в случае успеха нужны будут еще 10-20 лет для налаживания всех систем (выращивание, сбор урожая, доставка и хранение) и постройки перерабатывающих заводов для производства значительного объема биотоплива (например, 5% от мировой потребности в транспортном топливе).

Тем временем производство биоэтанола и биодизеля с использованием существующих технологий будет значительно увеличиваться по сравнению с нынешним уровнем, но по-прежнему представлять очень маленькую часть мирового рынка транспортного топлива. Объемы производства недостаточны, чтобы серьезно повлиять на баланс спроса и предложения и, следовательно, на уровень цен на нефтяном рынке. Это ключевой вопрос, поскольку в определенный момент производство биотоплива начнет влиять на конъюнктуру нефтяного рынка, приводя, таким образом, к снижению цен на бензин и дизель при прочих равных условиях.