Біопаливо звучать як утопічна мрія. Ми уявляємо вітряні дзвіночки, бездоганно блакитне небо та світ, де ми заправляємо свої позашляхові автомобілі (SUV) залишками стебел кукурудзи, рятуючи при цьому планету. Це здається магією.
Але це негаразд.
Це – хімія. І логістика. І політика.
Йдеться про перетворення біомаси – органічної речовини рослинного та тваринного походження – на паливо. Процес брудний. Компроміси реальні. Але потенціал незаперечний. Давайте відкинемо рекламний глянець і подивимося, як насправді працюють ці поновлювані види палива.
Визначення джерела
Міністерство енергетики США визначає біопаливо як відновлюване тверде, газоподібне або рідке паливо, отримане з недавнього органічного матеріалу. Ключове слово тут – відновлюване.
Викопні види палива (нафта, природний газ) також походять від стародавньої рослинності. Але для їх відновлення потрібні мільйони років. Ми спалюємо їх швидше, ніж утворюються. Біопаливо виготовляється з культур або відходів, які можна зібрати за один сезон. Це фундаментальна відмінність.
Упродовж десятиліть ми використовували тверду біомасу, таку як деревина. Останнім часом популярність набирають гранули кукурудзи як спосіб хеджування проти волатильності цін на мазут. Але ж для транспорту? Ринок ділять два основних гравці: етанол та біодизель.
Відстеження виробництва notoriusly складно через фрагментовані методи виробництва. Однак дані про споживання цих двох основних видів палива є надійними.
Виробництво етанолу США досягло рекордних максимумів після спаду в середині 1990-х років. А біодизель? Він злетів. За даними Національної асоціації біодизеля (National Biodiesel Board), виробництво в США зросло з 2 мільйонів галонів у 2002 році до 700 мільйонів галонів у 2008 році.
Це не маржинальне зрушення. Це масштабування галузі.
Процес виробництва етанолу
Етанол – це зерновий спирт. Він виробляється шляхом ферментації рослинних цукрів.
Традиційний метод використовує їстівні частини культур. Кукурудза. Цукрова тростина. Проблема? Ви конкуруєте із продовольчим ринком. Люди їдять кукурудзу. Худоба їсть кукурудзу. Перетворення того й іншого на паливо призводить до зростання цін на продукти харчування. Це грубий інструмент.
Нові дослідження зосереджені на целюлозній біомасі. Вона використовує неїстівні частини рослин – стебла кукурудзи, тріску, трави. Процес розщеплює цей матеріал на глюкозу. Ви ферментуєте цю глюкозу. Результатом є етанол.
Розумним побічним продуктом цього є лігнін. Ви спалюєте лігніну для забезпечення енергією підприємства. Це допомагає зробити процес енергонейтральним чи навіть енергопозитивним.
Ви можете використовувати чистий етанол, але більшість водіїв використовують суміші.
- Газоал (Gasohol): 90% бензину, 10% етанолу. Усі бензинові автомобілі можуть працювати на цій суміші.
E85: 85% етанолу, 15% бензину. Тільки для автомобілів із гнучким паливом (flex-fuel vehicles).
Процес виробництва біодизеля
Біодизель вийшов на ринок США приблизно 2005 року. Наука тут новіша. Вона складніша, ніж ферментація.
Сировина варіюється. Соєва олія. Відпрацьована рослинна олія (з фритюрниць). Навіть водорості.
Хімія заснована на реакції, яка називається переетерифікацією.
Ви берете масло і змішуєте його зі спиртом – зазвичай метанолом чи етанолом. Ви додаєте каталізатор. Гідроксид калію або гідроксид натрію (їдкий натр) добре підходять. Реакція розщеплює ланцюги жирних кислот.
Результатом є біодизель. Побічним продуктом є гліцерин.
На відміну від етанолу, біодизель безпосередньо інтегрується до існуючої інфраструктури дизельного палива.
- B20: 20% біодизеля, 80% нафтового дизеля. Це найпоширеніша суміш. Стандартні дизельні двигуни можуть працювати без модифікації.
- B100: 100% біодизель. Для цього потрібні модифіковані автомобілі. Старі двигуни можуть мати проблеми з ущільненнями та прокладками.
За межами двох головних гравців
Етанол та біодизель отримують основне освітлення в пресі. Вони є основою поточного ландшафту біопалив.
Але вони не єдині варіанти.
У наступному розділі розглядаються інші шляхи отримання біопалива, менш поширені, але потенційно більш ефективні. Ми розглянемо альтернативи, які залежать від величезних кукурудзяних полів чи монокультур сої.
Біодизель своїми руками
Бажаєте повністю відмовитись від заправних станцій?
Зростає легіон людей, які виробляють біодизель вдома з відпрацьованої олії. Це не хобі для вихідного дня для людей із тонкою душевною організацією.
Вам потрібний метанол. Вам потрібний потужний каталізатор. Їдкий натр підходить, але він їдкий. Вам потрібні серйозні запобіжні заходи. Метанол токсичний. Пари метанолу невидимі. Вони можуть засліпити вас або вбити, перш ніж ви зрозумієте, що перебуваєте в небезпеці.
Сировина доступна. Літератури достатньо. Але запас міцності дорівнює нулю.
Якщо ви серйозно ставитеся до енергетичної незалежності, прочитайте про це. Купуйте обладнання. Поважайте хімію. Потім починайте роботу.
За межами паливного насоса: деревні пеллети та біогаз
Зазвичай ми думаємо про біопалив у термінах етанолу з кукурудзи або біодизеля для вантажівок на дизельному паливі. Але історія виходить далеко за межі заправної колонки. Ми спостерігаємо зсув у способах вироблення тепла та електроенергії з використанням органічних відходів. Йдеться не лише про те, щоб підтримувати роботу електромереж. Йдеться про заміну вугілля матеріалами, які вже гнили на полях.
Витрата сучасних дров’яних печей
Люди збиралися навколо багаття з того часу, як навчилися добувати іскри. Деревина горить. Це швидко. Це легко замінити, якщо не ставитись до лісів безвідповідально. Сьогодні гра змінилася. Мова вже не просто про те, щоб кидати дрова на колосник. Йдеться про точність.
Пелетні печі тут є безперечними переможцями. Вони беруть тирсу, пресують її і спалюють з ефективністю, про яку старі дров’яні печі не могли і мріяти. Міністерство енергетики США вказує цифри 42 000 БТЕ для стандартної установки. Цього достатньо, щоб обігріти будинок площею 1300 квадратних футів. І це чистіше. Менше за дим. Менше золи, яку треба вигрібати.
Але ось що цікаво: вам не обов’язково використовувати тирсу. Сучасні печі гнучкі. Вони можуть спалювати кукурудзяні качани. Папір. Горіхову шкаралупу. Навіть висушені вишневі кісточки. Це по суті будь-який сухий органічний матеріал, який міститься в бункер. Йдеться не лише про тепло. Йдеться про використання сільськогосподарських побічних продуктів, які інакше стали б сміттям.
Уловлювання метану з гною
Потім є те, про що ми не хотіли б говорити. Гній сільськогосподарських тварин. Тверді побутові відходи. Вони розкладаються у безкисневому середовищі. Це анаеробне зброджування. Процес виділяє газ. Зокрема метан.
Це біогаз. Він має високу енергоефективність. І він уже вловлюється.
У 2010 році Інститут екологічних та енергетичних досліджень повідомив про 151 діючий анаеробний реактор у Сполучених Штатах. Кожен із них використовував тваринний гній. Чому? Тому що це надійно. Корови не перестають виробляти відходи тільки тому, що хочемо зелену енергію. Реактори вловлюють цей метан до того, як він потрапить до атмосфери.
Традиційно очисні споруди просто спалювали цей газ у смолоскипах. Спалювали його марно. Тепер вони розглядають її як джерело палива. Частина головоломки. Це не срібна куля. Але це краще, ніж дозволяти метану, потужному парниковому газу, випаровуватися.
Аргумент вуглецевого циклу
То навіщо це потрібно? Аргумент простий, але сильний. Коли ви спалюєте викопне паливо, ви вивільняєте вуглець, який був замкнений під землею протягом мільйонів років. Ви додаєте новий новий вуглець в активну атмосферу. Ви порушуєте баланс.
Біопалива різняться. Цикл вуглецю замкнутий. Рослини поглинають CO2 із повітря для зростання. Тварини їдять рослини. Коли ми перетворюємо ці рослини або тварин на паливо, цей вуглець повертається прямо у повітря. Це той самий вуглець, який уже був там. Він не підвищує загальне навантаження. Він просто переробляється.
Це має значення. Йдеться не просто про порятунок планети у якомусь абстрактному значенні. Йдеться про те, щоб не посилювати проблему глобального потепління, поки ми вирішуємо решту питань.
Місцеві економіки та геополітика
Існує також політичний аспект. Викопне паливо глобально. Воно пов’язане з нестабільними регіонами та складними ланцюжками постачання. Біопаливо локальне. Воно виробляється та переробляється там, де використовується.
Якщо ви можете виробляти тепло та електроенергію зі своєї власної кукурудзи, власних деревних чіпсів, власного коров’ячого гною, ви знижуєте залежність від сирої нафти. Найменша залежність від іноземної нафти. Найменший вплив інших країн. Йдеться про енергетичну незалежність через сільське господарство та лісове господарство.
Це також допомагає місцевій економіці. Гроші залишаються у регіоні. Фермерам платять за керування відходами. Лісникам сплачують за розчищення земель. Це локальна циклічна економіка.
Перевірка реальністю
Чи можуть біопалива врятувати нас поодинці? Ні.
Вони є частиною суміші. Вітер. Сонце. ядерна енергія. Викопне паливо. Жодне джерело немає відповіді. Але технології вдосконалюються. Ми стаємо кращими у вловлюванні біогазу. Ми стаємо кращими у чистому спалюванні пелет. Ми стаємо кращими у перетворенні відходів на енергію.
Це не ідеальне рішення. Не магія. Але це реалістичний крок. Спосіб знизити планку наших енергетичних потреб поки ми переходимо до того, що прийде наступним. Інфраструктура вже існує. Нам просто потрібно використати її.
