Биотоплива звучат как утопическая мечта. Мы представляем себе ветряные колокольчики, безупречно голубое небо и мир, где мы заправляем свои внедорожные автомобили (SUV) остатками стеблей кукурузы, спасая при этом планету. Это кажется магией.
Но это не так.
Это химия. И логистика. И политика.
Речь идет о превращении биомассы — органического вещества растительного и животного происхождения — в топливо. Процесс грязный. Компромиссы реальны. Но потенциал неоспорим. Давайте отбросим маркетинговый глянец и посмотрим, как на самом деле работают эти возобновляемые виды топлива.
Определение источника
Министерство энергетики США определяет биотопливо как возобновляемое твердое, газообразное или жидкое топливо, полученное из недавнего органического материала. Ключевое слово здесь — возобновляемое.
Ископаемые виды топлива (нефть, природный газ) также произошли от древней растительности. Но для их восстановления требуются миллионы лет. Мы сжигаем их быстрее, чем они образуются. Биотопливо производится из культур или отходов, которые можно собрать за один сезон. Это фундаментальное отличие.
На протяжении десятилетий мы использовали твердую биомассу, такую как древесина. В последнее время популярность набирают гранулы кукурузы как способ хеджирования против волатильности цен на мазут. Но для транспорта? Рынок делят два основных игрока: этанол и биодизель.
Отслеживание производства notoriously сложно из-за фрагментированных методов производства. Однако данные о потреблении этих двух основных видов топлива являются надежными.
Производство этанола в США достигло рекордных максимумов после спада в середине 1990-х годов. А биодизель? Он взлетел. По данным Национальной ассоциации биодизеля (National Biodiesel Board), производство в США выросло с 2 миллионов галлонов в 2002 году до 700 миллионов галлонов в 2008 году.
Это не маржинальный сдвиг. Это масштабирование отрасли.
Процесс производства этанола
Этанол — это зерновой спирт. Он производится путем ферментации растительных сахаров.
Традиционный метод использует съедобные части культур. Кукуруза. Сахарный тростник. Проблема? Вы конкурируете с продовольственным рынком. Люди едят кукурузу. Скот ест кукурузу. Превращение того и другого в топливо приводит к росту цен на продукты питания. Это грубый инструмент.
Новые исследования сосредоточены на целлюлозной биомассе. Она использует несъедобные части растений — стебли кукурузы, древесную щепу, травы. Процесс расщепляет этот материал на глюкозу. Вы ферментируете эту глюкозу. Результатом является этанол.
Умным побочным продуктом этого процесса является лигнин. Вы сжигаете лигнин для обеспечения энергией предприятия. Это помогает сделать процесс энергонейтральным или даже энергоположительным.
Вы можете использовать чистый этанол, но большинство водителей используют смеси.
- Газоал (Gasohol): 90% бензина, 10% этанола. Все бензиновые автомобили могут работать на этой смеси.
- E85: 85% этанола, 15% бензина. Только для автомобилей с гибким топливом (flex-fuel vehicles).
Процесс производства биодизеля
Биодизель вышел на рынок США примерно в 2005 году. Наука здесь новее. Она сложнее, чем ферментация.
Сырье варьируется. Соевое масло. Отработанное растительное масло (из фритюрниц). Даже водоросли.
Химия основана на реакции, называемой переэтерификацией.
Вы берете масло и смешиваете его со спиртом — обычно метанолом или этанолом. Вы добавляете катализатор. Гидроксид калия или гидроксид натрия (едкий натр) отлично подходят. Реакция расщепляет цепи жирных кислот.
Результатом является биодизель. Побочным продуктом является глицерин.
В отличие от этанола, биодизель напрямую интегрируется в существующую инфраструктуру дизельного топлива.
- B20: 20% биодизеля, 80% нефтяного дизеля. Это наиболее распространенная смесь. Стандартные дизельные двигатели могут работать на ней без модификации.
- B100: 100% биодизель. Для этого требуются модифицированные автомобили. Старые двигатели могут иметь проблемы с уплотнениями и прокладками.
За пределами двух главных игроков
Этанол и биодизель получают основное освещение в прессе. Они являются основой текущего ландшафта биотоплив.
Но они не единственные варианты.
В следующем разделе рассматриваются другие пути получения биотоплива, которые менее распространены, но потенциально более эффективны. Мы рассмотрим альтернативы, которые не зависят от огромных кукурузных полей или монокультур сои.
Биодизель своими руками
Хотите полностью отказаться от заправочных станций?
Растет легион людей, которые производят биодизель дома из отработанного растительного масла. Это не хобби для выходного дня для людей с тонкой душевной организацией.
Вам нужен метанол. Вам нужен сильный катализатор. Едкий натр подходит, но он едкий. Вам нужны серьезные меры предосторожности. Метанол токсичен. Пары метанола невидимы. Они могут ослепить вас или убить, прежде чем вы поймете, что находитесь в опасности.
Сырье доступно. Литературы предостаточно. Но запас прочности равен нулю.
Если вы серьезно относитесь к энергетической независимости, прочитайте об этом. Купите оборудование. Уважайте химию. Затем приступайте к работе.
За пределами топливного насоса: древесные пеллеты и биогаз
Обычно мы думаем о биотопливе в терминах этанола из кукурузы или биодизеля для грузовиков на дизельном топливе. Но история выходит далеко за пределы заправочной колонки. Мы наблюдаем сдвиг в способах выработки тепла и электроэнергии с использованием органических отходов. Речь идет не только о том, чтобы поддерживать работу электросетей. Речь идет о замене угля материалами, которые уже гнили на полях.
Расход современных дровяных печей
Люди собирались вокруг костра с тех пор, как научились добывать искры. Древесина горит. Это быстро. Это легко заменить, если не относиться к лесам безответственно. Сегодня игра изменилась. Речь уже не просто о том, чтобы бросать дрова на колосник. Речь идет о точности.
Пеллетные печи здесь являются безусловными победителями. Они берут опилки, прессуют их и сжигают с эффективностью, о которой старые дровяные печи не могли и мечтать. Министерство энергетики США указывает цифры в 42 000 БТЕ для стандартной установки. Этого достаточно, чтобы обогреть дом площадью 1 300 квадратных футов. И это чище. Меньше дыма. Меньше золы, которую нужно выгребать.
Но вот что интересно: вам не обязательно использовать опилки. Современные печи гибкие. Они могут сжигать кукурузные початки. Бумагу. Ореховую скорлупу. Даже высушенные вишневые косточки. Это, по сути, любой сухой органический материал, который помещается в бункер. Речь идет не только о тепле. Речь идет об использовании сельскохозяйственных побочных продуктов, которые в противном случае стали бы мусором.
Улавливание метана из навоза
Затем есть то, о чем мы предпочли бы не говорить. Навоз сельскохозяйственных животных. Твердые бытовые отходы. Они разлагаются в бескислородной среде. Это анаэробное сбраживание. Процесс выделяет газ. В частности, метан.
Это биогаз. Он обладает высокой энергоэффективностью. И он уже улавливается.
В 2010 году Институт экологических и энергетических исследований сообщил о 151 работающем анаэробном реакторе в Соединенных Штатах. Каждый из них использовал животный навоз. Почему? Потому что это надежно. Коровы не перестают производить отходы только потому, что мы хотим зеленую энергию. Реакторы улавливают этот метан до того, как он попадет в атмосферу.
Традиционно очистные сооружения просто сжигали этот газ в факелах. Сжигали его впустую. Теперь они рассматривают его как источник топлива. Часть головоломки. Это не серебряная пуля. Но это лучше, чем позволять метану, мощному парниковому газу, улетучиваться.
Аргумент углеродного цикла
Так зачем это нужно? Аргумент прост, но силен. Когда вы сжигаете ископаемое топливо, вы высвобождаете углерод, который был заперт под землей в течение миллионов лет. Вы добавляете новый углерод в активную атмосферу. Вы нарушаете баланс.
Биотоплива отличаются. Цикл углерода замкнут. Растения поглощают CO2 из воздуха для роста. Животные едят растения. Когда мы превращаем эти растения или животных в топливо, этот углерод возвращается прямо в воздух. Это тот же углерод, который уже был там. Он не увеличивает общую нагрузку. Он просто перерабатывается.
Это имеет значение. Речь идет не просто о спасении планеты в каком-то абстрактном смысле. Речь идет о том, чтобы не усугублять проблему глобального потепления, пока мы решаем остальные вопросы.
Местные экономики и геополитика
Существует также политический аспект. Ископаемое топливо глобально. Оно связано с нестабильными регионами и сложными цепочками поставок. Биотопливо локально. Оно производится и перерабатывается там, где используется.
Если вы можете вырабатывать тепло и электроэнергию из своей собственной кукурузы, своих собственных древесных чипсов, своего собственного коровьего навоза, вы снижаете зависимость от сырой нефти. Меньшая зависимость от иностранной нефти. Меньшее влияние других стран. Речь идет об энергетической независимости через сельское хозяйство и лесное хозяйство.
Это также помогает местной экономике. Деньги остаются в регионе. Фермерам платят за управление отходами. Лесникам платят за расчистку земель. Это локальная циклическая экономика.
Проверка реальностью
Могут ли биотоплива спасти нас в одиночку? Нет.
Они являются частью смеси. Ветер. Солнце. Ядерная энергия. Ископаемое топливо. Ни один источник не имеет ответа. Но технологии совершенствуются. Мы становимся лучше в улавливании биогаза. Мы становимся лучше в чистом сжигании пеллет. Мы становимся лучше в преобразовании отходов в энергию.
Это не идеальное решение. Это не магия. Но это реалистичный шаг. Способ снизить планку наших энергетических потребностей, пока мы переходим к тому, что придет следующим. Инфраструктура уже существует. Нам просто нужно использовать ее.
