Жизнеспособность жидкого биотоплива



Ископаемое топливо переживает критический кризис в связи с истощением его запасов и ростом экологических проблем. Использование нефтепродуктов плотным населением, урбанизация различных географических районов и индустриализация оказали огромное влияние на мировую экономику. Топливо биологического происхождения, такое как этанол, растительное масло и различные биомассы, привлекает все большее внимание. Поэтому важно разрабатывать альтернативные виды топлива, чтобы защитить глобальную окружающую среду, а также сосредоточиться на долгосрочных поставках традиционных видов топлива. Эти виды биотоплива имеют больше возможностей для развития агропромышленного комплекса и повышения производительности в больших масштабах. Таким образом, необходимо совершенствовать технологии и развивать устойчивость ресурсов, уделяя особое внимание соответствующей политике, производственным затратам, урожайности, чистоте и эффективности, создавая здоровье, богатство и распределение благ для достижения устойчивой энергии в будущем. Настоящая обзорная статья посвящена последним тенденциям и исследованиям, проведенным в области жидкого биотоплива. Производство и экономика, а также его будущий спрос и использование во всем мире.

Ключевые слова : биотопливо, биоэтанол, биодизель, биобутанол, биомасса.

Жидкое биотопливо играет важную роль в глобальном переходе к возобновляемой и устойчивой энергии, получаемой из различных источников. К ним относятся различные остатки лесного хозяйства, сельскохозяйственные материалы, связанные с выращиванием продовольственных культур, включая непищевые энергетические культуры, такие как просо, эвкалипт, твердые биогенные отходы и т. д. Жидкое биотопливо также обеспечивает более широкую перспективу с различными технологическими аспектами передового биотоплива в период с 2015 по 2045 год, в частности, жидкого транспортного топлива для дорожного, судоходного и авиационного использования. Хотя эти передовые виды биотоплива обладают большим потенциалом, они связаны с различными проблемами. Хорошо известно, что многие конкурентоспособные отрасли передового биотоплива сегодня зависят от передовых инновационных технологий, включая цепочки поставок, развитие рынка и политическую поддержку на данном этапе. Инновация любых новых технологий и процессов может снизить стоимость производства передового биотоплива в ближайшие десятилетия. Но наряду с технологическими инновациями важно, что для преодоления этого пути могут также потребоваться значительные политические меры и бизнес-модели, изменяющие продукт, обеспечивающие дальнейшее развитие промышленности и снижение производственных затрат. Это подразумевает значительный производственный потенциал, причем различные виды сырья предоставляют разные возможности. В городах твердые бытовые отходы могут представлять собой чрезвычайно ценную биомассу, потому что они дешевле, а также их легче накапливать, поскольку у них мало конкурирующих неэнергетических применений. Напротив, по сравнению с сельскими районами сельскохозяйственные отходы обладают большим потенциалом, но должным образом сталкиваются с конкурирующими видами использования, такими как корм для животных и другие второстепенные виды использования. В странах с большим количеством деревообрабатывающей промышленности существует легкий доступ к получению лесных отходов с меньшими затратами. Хорошо известно, что специализированные лигноцеллюлозные энергетические культуры в будущем будут иметь больший потенциал, если доступная земля будет использоваться в большей степени для производства продуктов питания и топлива в значительной степени. Объем мирового рынка жидкого биотоплива в 2019 году оценивался в 65,4 млрд долларов США, и ожидается, что он будет расти с 2020 по 2027 год [2].

Энергетическая политика и управление

Значительное влияние на тенденции в производстве, потреблении и торговле биотопливом оказывают политика на международных рынках, торговля и цены на биотопливо и различные сельскохозяйственные комплексы. К ним относятся ЕС и США, которые стимулируют производство и потребление биотоплива, защищая при этом внутренних производителей [1]. Также отмечается, что страны Организации экономического сотрудничества и развития (ОЭСР) создают непредусмотренные последствия, а также возлагают большие расходы на своих налогоплательщиков и потребителей. Отмечается, что торговля и политика имеют тенденцию к дискриминации производителей сырья для биотоплива из развивающихся стран. Это препятствует появлению секторов переработки и экспорта биотоплива в развивающихся странах. Такая политика вмешивается в существующие рынки биотоплива и сельского хозяйства, оказывая большее влияние на развитие отраслей мирового уровня. Эти последствия могут оказать влияние на производственный сектор в наиболее экономически подходящих местах. В перспективе существует необходимость в международных политических дисциплинах, доступных для биотоплива, чтобы предотвратить любой вид глобального политического провала, существующего в сельскохозяйственном секторе.

В соответствии с директивой Европейской комиссии 2009 года о возобновляемых источниках энергии выбросы парниковых газов сократятся на 60–95 % при использовании биотоплива по сравнению с топливом на основе нефти [1]. В настоящее время предпринимаются усилия и разрабатываются мандатные политики в направлении жидкого биотоплива, но рост стоимости нефти препятствует некоторым регулирующим органам правительства в осуществлении постоянного продвижения в этом направлении. Европейская энергетическая политика включает в себя в основном три цели, такие как устойчивость, конкурентоспособность и безопасность снабжения. Их политика направлена на снижение выбросов парниковых газов на 20 % по сравнению с уровнем 1990 года с увеличением поставок возобновляемой энергии по крайней мере на 20 % от общего спроса. Политика ЕС предполагает использование 10 % возобновляемой энергии в качестве транспортного топлива, а также минимизировать выбросы ПГ на 6 % [3,4].

Для продвижения биотоплива в таких странах, как Аргентина, Малайзия и Швеция, были введены налоговые льготы на биодизель и этанол. Индонезия поставила цель смешивать 2 %, 3 % и 5 % биотоплива с энергоносителями страны в 2010, 2015 и 2025 годах соответственно [5]. Кроме того, к концу 2025 года доля биодизеля и биоэтанола в транспортном секторе увеличится до 20 % и 15 % соответственно. Таиланд поставил цель достичь 32 % смеси биотоплива к концу 2032 года.

Сценарий глобального потребления

Текущее исследование показывает, что спрос на биотопливо, как ожидается, будет неуклонно расти до 2045 года с оценкой от 257 до 500 миллиардов литров в год к концу 2030 года. Согласно глобальному сценарию биотоплива существует вероятность того, что общий спрос на жидкое биотопливо может варьироваться от 3280 до 4350 миллиардов литров в 2035 году. Ожидается, что обзор статистической значимости потребления энергии во всем мире увеличится в нескольких странах, большинство из которых приходится на США (рис. 1а). Устойчивый подход к глобальному производству и потреблению энергии по сравнению с 2019 и 2030 годами дает четкое представление о сценарии ее использования (рис. 1б). Факторы, влияющие на глобальный спрос на биотопливо, включают увеличение парка транспортных средств, спрос на транспортные услуги и замену альтернативных источников топлива, таких как электричество. Анализ, проведенный Международным энергетическим агентством (МЭА) Energy Technology, показал, что к 2045 году спрос на биотопливо вырастет до 4600 миллиардов литров в год [6].

Даже с учетом последних технологических достижений, спрос на биотопливо в США и Европейском Союзе не сможет удовлетворить будущий спрос по сценарию устойчивого развития (SDS) к 2030 году. Это может быть связано с тем, что потребление биотоплива в этих странах снизится из-за низкого процентного содержания смеси, использования высокоэффективных транспортных средств и использования биотоплива с пониженным содержанием углерода. С другой стороны, ожидается, что уровень производства биотоплива в Индии и Бразилии будет ежегодно увеличиваться для удовлетворения спроса по SDS, при этом Бразилия уже установила рекордное производство этанола и биодизеля в 2019 году и в настоящее время продолжает увеличивать мандат на биодизель с 11 % до 15 %

В настоящее время Индия ускорила производство биоэтанола за счет расширения сырьевой базы для производства этанола и вводит субсидии для удовлетворения спроса и прогноза. Такие страны, как Китай и Ассоциация стран Юго-Восточной Азии (АСЕАН), также способствовали производству биоэтанола с 10 %-ной смесью с ископаемым топливом. Тем не менее, Мексика и страны Южной Африки еще не достигли прогресса в использовании биотоплива.

Рис. 1. а) Мировое потребление жидкого биотоплива б) Производство биотоплива в 2019 году по сравнению с 2030 годом в рамках сценария устойчивого развития

Сырье для жидкого биотоплива

Сегодня известно, что биоэтанол, биодизель и биобутанол производятся из различных источников, таких как лигноцеллюлоза, крахмал и биомасса водорослей. Эти устойчивые и естественные возобновляемые сырьевые материалы в изобилии присутствуют в природе, их ежегодное производство в мире составляет примерно 200 миллиардов тонн. В начале 20 века биомасса на основе сахара или крахмала (зерновые, сахарный тростник, соя и отходы пищевой промышленности) и растительные масла (пальмовое, соевое и подсолнечное масло) использовались в качестве сырья для производства биоэтанола и биодизеля [7]. Это сырье первого поколения уже зарекомендовало себя как отличное сырье для производства биотоплива путем непосредственной ферментации с предварительной механической и иногда термической обработкой. Однако дороговизна этого сырья может напрямую повлиять на поставки продовольствия, а также распределение сельскохозяйственных земель сделало доступность этого сырья неэтичной и дорогостоящей.

Учитывая недостатки, возникающие при использовании сырья первого поколения, в последнее десятилетие были проведены огромные исследования по производству жидкого биотоплива с использованием сырья второго поколения, получаемого из сельскохозяйственных, агропромышленных, лесных и твердых бытовых отходов. Сырье второго поколения отличается от первого тем, что оно производится из непищевых источников. Эти виды сырья обладают рядом преимуществ, таких как возобновляемость, богатое содержание углеводов, изобилие, низкая стоимость и углеродная нейтральность. Некоторые виды сырья можно отнести как к первому, так и ко второму поколению в зависимости от источников. Растительное масло первого поколения может стать непригодным для приготовления пищи и выбрасываться в качестве отходов, таким образом, становясь вторым поколением. Перенаправление отходов, образующихся в обществе в результате повседневной жизни, в топливо имеет дополнительное преимущество в виде утилизации отходов. Большая часть образующихся лигноцеллюлозных остатков выбрасывается в качестве отходов на свалку или сжигается, что приводит к серьезному загрязнению окружающей среды. Одним из перспективных средств решения этой проблемы является направление отработанной биомассы на производство жидкого биотоплива. Природа и доступность этого сырья определяют выход процесса, эффективность и экономичность производимого биотоплива. На рис. 2 показан процесс преобразования различных видов сырья в жидкое биотопливо. Сырье, используемое для производства биотоплива, можно разделить на крахмал, лигноцеллюлозу и биомассу на основе водорослей [8].

Рис. 2. Получение сырья и процесс производства жидкого биотоплива

5. Процесс производства жидкого биотоплива

Технологии для перспективных видов биотоплива находятся на стадии зарождения. Предварительная обработка — это предварительный этап производства биоэтанола и биобутанола, при котором целлюлоза и гемицеллюлоза, присутствующие в клеточной стенке растений, гидролизуются под действием кислоты или фермента с получением сахаров C5 и C6. Ферментация этих молекул сахара в присутствии дрожжей или бактерий дает биотопливо, которое в дальнейшем отделяется и очищается с помощью дистилляции или мембран/молекулярных сит. Процесс имеет ряд недостатков, таких как соответствующий выбор методов предварительной обработки сырья, образование ингибиторов ферментации, высокая потребность в энергии и капитальные затраты. Токсичность растворителей, образующихся при производстве биобутанола, требует применения технологии разделения растворителей на месте, что делает процесс более сложным, чем производство биоэтанола. Отделение сопутствующих продуктов, таких как ацетон и этанол, делает процесс более сложным и дорогим. Каталитическое преобразование спиртов с короткой цепью, таких как этанол, бутанол и метанол, для получения парафинового топлива приобретает все большее значение из-за его высокого содержания энергии. Парафиновое топливо может стать потенциальным заменителем бензина и реактивного топлива. Процесс включает дегидрирование, олигомеризацию и дистилляцию. Однако выход конверсии, селективность, высокая стоимость производства и сложность процесса снижают интерес к такому биотопливу.

1. Биоэтанол

Производство биоэтанола из сельскохозяйственных остатков экономически целесообразно, но капитальные затраты, сокращение времени переработки и эффективность процесса требуют углубленных экспериментов. Экономика производства биоэтанола может быть улучшена путем интеграции предварительной обработки, ферментативного гидролиза и ферментации. Это объединение биопроцессов не реализовано в промышленных масштабах и требует исследований и разработок. Разделение продуктов с помощью дистилляции является энергоемким процессом, который можно минимизировать с помощью передовых методов разделения, таких как мембранное разделение, осмос и индуцированное разделение фаз. Эти методы находятся на лабораторном уровне и требуют тщательного масштабирования для коммерциализации.

Ферментация может осуществляться в непрерывном, периодическом и полу-периодическом режимах [9]. Периодический режим ферментации обеспечивает преимущество полной стерилизации и лучшего контроля над процессом. Периодический режим предпочтителен для коммерческого производства, когда субстрат периодически добавляется в ферментатор. При непрерывном режиме работы субстрат подается в течение всего процесса ферментации. Процесс ферментации биоэтанола осуществляется тремя различными методами. Первый метод — раздельный гидролиз и ферментация (SHF) — был разработан для производства этанола. За гидролизом остатков следует этап ферментации. Каждый этап осуществляется при оптимальных условиях. Для гидролиза и ферментации используются отдельные реакторы. Основным преимуществом данного подхода является оптимизация процесса. Возможной проблемой, связанной с этим подходом, является риск загрязнения в процессе задержки гидролиза из-за длительного времени реакции. Второй метод включает одновременное осахаривание и ферментацию (SSF) в одном биореакторе. По мере высвобождения сахара из сырья он немедленно преобразуется в этанол. Количество накопленного сахара уменьшается, что позволяет избежать ингибирования субстрата. Благодаря наличию этанола в ферментационном бульоне, среда менее уязвима для загрязнения. Третий метод включает одновременное осахаривание и совместную ферментацию (SSCF), при котором культивируются два микроорганизма, метаболизирующие гексозу и пентозу соответственно. Микроорганизм, использующий гексозу, растет гораздо быстрее, что приводит к более высокому выходу этанола. Другой вариант — культивирование одного микроорганизма, способного метаболизировать как пентозный, так и гексозный сахар, для достижения более высокого выхода этанола [10].

2. Биобутанол

Процесс производства бутанола включает в себя действие анаэробных бактерий, дающих ацетон, бутанол и этанол (ABE) в соотношении 3:6:1.

На рис. 3 показан глобальный спрос на бутанол в современном мире. В начале 21 века Биобутанол приобрел большое значение как отличное устойчивое биотопливо, получаемое из растительных материалов, таких как крахмал и лигноцеллюлоза, что увеличило его потребление в транспортной и авиационной промышленности [11]. Основной технической проблемой при производстве бутанола является селективность ферментации ABE, при которой процесс должен включать высокую скорость разбавления и концентрацию продукта, чтобы минимизировать токсическое действие растворителя, образующегося во время ферментации. Образование побочных продуктов, таких как ацетон и этанол, ограничивает образование бутанола, делая процесс более энергоемким.

Для более эффективной обработки процесса было разработано несколько инновационных подходов, включая модификацию организмов для устойчивости к бутанолу, разработку штаммов для количественного увеличения выхода и селективности. Крупномасштабное восстановление кислоты ферментации ABE может дать 10–15 % прироста при отсутствии побочных продуктов [13]. Таким образом, можно сделать вывод, что любая методология, альтернативная дистилляции, может сделать процесс более энергоэффективным, обеспечив успех в масштабировании производства.

Рис. 3. Мировой спрос на бутанол по регионам [12]

3. Биодизель

Было установлено, что использование биодизеля сводит к нулю выбросы ароматических соединений и других химических веществ. Его низкотемпературные свойства, стабильность при хранении и незначительное увеличение выбросов оксидов азота — это лишь немногие из технических проблем. Главной проблемой этого топлива является относительная устойчивость, которая включает в себя вопросы маркетинга и экономики в связи с недостаточной доступностью растительного масла или жира в различных секторах.

После завершения реакции глицерин отделяется центрифугированием или отстаиванием. В дальнейшем биодизельная фаза очищается перед использованием в качестве дизельного топлива в соответствии с любыми национальными стандартами качества и техническими нормами.

Проблемы и возможности

Для преодоления ряда технических и нетехнических проблем в области коммерческого масштабирования необходимо обеспечить непрерывное снабжение сырьем, технологический процесс и экономическую эффективность. Необходимо разработать соответствующие методы для закупки и хранения сезонного сырья, когда дело дойдет до коммерциализации, из-за невозможности его закупки в разные сроки. Эта потребность в более прочной цепи поставок и возможности хранения увеличивает риск деградации сырья и инвестиционные затраты на склад [14]. Проблема, связанная с сырьем, может быть решена с помощью методов предварительной обработки, снижающих восприимчивость к деградации, и адаптации процесса для смешивания сырья в течение года в зависимости от его наличия.

Жидкое биотопливо уже заняло свое место во всех трех видах транспорта. Крупнейший потребитель жидкого биотоплива — автомобильный транспорт, ограниченные объемы используются в авиации и на железнодорожном транспорте, работающем на дизельном топливе. Такие страны, как Бразилия, являющаяся передовиком в производстве биотоплива первого поколения, продемонстрировала свою заинтересованность в международном рынке биореактивного топлива. В Индии общее потребление биореактивного топлива составляет около 4–5 млн. тонн. Первое испытание биореактивного топлива было проведено в Индии в 2018 году, когда пассажирский рейс совершил полет на 25 % смеси, после чего ВВС Индии также провели испытания на 3 истребителях AN32 на 10 % смеси [15,16]. Биотопливо для реактивных двигателей, производимое из дешевого сырья лигноцеллюлозы, уже привлекает внимание многих исследователей [17]. Жидкое биотопливо также используется для производства электроэнергии и тепла. Однако процент использования в этом секторе невелик из-за наличия других источников энергии.

Топливо, используемое в транспортных целях, должно соответствовать стандартам, установленным странами. Поэтому топливо смешивается с обычным ископаемым топливом в соответствии с его свойствами. Биоэтанол содержит двухуглеродный спирт, обладающий на 30 % меньшей энергией по сравнению с бензином, и смешивается с бензином или превращается в реактивное топливо с помощью химического катализа. В странах Европы и США 10–15 % этанола смешивают с бензином, в то время как в Бразилии разрешено использовать 27,5 % этанола. Однако более высокое соотношение смеси этанола увеличивает риск коррозии в двигателях внутреннего сгорания и делает его несовместимым с существующими трубопроводами ископаемого топлива [18]. Современные виды биотоплива, такие как бутанол, имеют более высокое содержание энергии и меньшую коррозионную активность, чем этанол, и поэтому могут смешиваться с газом или дизельным топливом в любом соотношении. Согласно американским и европейским стандартам, допустимое содержание бутанола в бензине составляет 15–16 % [1]. Биодизель с метиловым эфиром жирных кислот, который по своим свойствам похож на нефтяное дизельное топливо, может смешиваться с дизельным топливом для железнодорожного, автомобильного и судового транспорта. Смесь до 5–7 % успешно используется в двигателях внутреннего сгорания без необходимости модификации двигателя. Существующие современные виды биотоплива используют широкий спектр сырья, включая побочные продукты производства биодизеля, бумагу и целлюлозу, твердые бытовые отходы. Эти биомассы доступны по низкой цене из-за меньшего местного спроса, но стоимость сбора и транспортировки высока. Коммерциализация производства биоэтанола из сельскохозяйственных остатков путем гидролиза и ферментации осуществляется на заводе мощностью 1 млрд. литров [19]. Однако объем производства на этом заводе значительно меньше, что связано с его тестированием и оптимизацией условий процесса. В существующей ферментации ABE используется сырье с высоким содержанием сахара, поэтому необходимо сосредоточиться на разработке технологии производства бутанола из сырья с низким содержанием сахара, что в свою очередь снижает стоимость сырья.

Заключение

Эксплуатация недорогих ископаемых видов топлива привела к беспрецедентному росту экономики, сельского хозяйства и населения. В связи с расширением использования ископаемых видов топлива возникла необходимость в альтернативном источнике топлива для использования и удовлетворения будущего спроса. Хотя есть несколько стран, играющих заметную роль в производстве и использовании биотоплива в различных секторах, существует также много путей для развития технологий с целью достижения эффективности и снижения цен на биотопливо. Последующие инновации могут стать ведущими на рынке чистой энергии и потенциально помочь решить экономические, социальные и экологические проблемы.

Литература:

1. IRENA. Innovation Technology Outlook for Advanced Liquid Biofuels. 2016.
2. Biofuel Market Research Report: Market size, Industry outlook, Market Forecast, Demand Analysis, Market Share, Market Report 2019–2025 2020. https://www. industryarc.com/Report/18518/biofuel-market-research-report-analysis.html
3. Kitzing L, Mitchell C, Morthorst PE. Renewable energy policies in Europe: Converging or diverging? Energy Policy 2012;51:192–201.
4. Parliament E. Renewable energy|Fact Sheets on the European Union|European Parliament n. d. https://www.europarl.europa.eu/factsheets/en/sheet/70/ renewable-energy
5. Kumar S, Shrestha P, Abdul Salam P. A review of biofuel policies in the major biofuel producing countries of ASEAN: Production, targets, policy drivers and impacts. Renew Sustain Energy Rev 2013;26:822–36. doi:10.1016/j. rser.2013.06.007.
6. IEA. Data & Statistics — IEA 2019. https://www.iea.org/data-and-statistics? country WORLD&fuel Energy supply&indicator TPESbySource
7. Roussos A, Misailidis N, Koulouris A, Zimbardi F, Petrides D. A feasibility study of cellulosic isobutanol production-process simulation and economic analysis. Processes 2019;7. doi:10.3390/pr7100667.
8. Kumar P, Barrett DM, Delwiche MJ, Stroeve P. Methods for pretreatment of lignocellulosic biomass for efficient hydrolysis and biofuel production. Ind Eng Chem Res 2009;48:3713–29.
9. Hansen MAT, Ahl LI, Pedersen HL, Westereng B, Willats WGT, Jørgensen H, et al. Extractability and digestibility of plant cell wall polysaccharides during hydrothermal and enzymatic degradation of wheat straw (Triticum aestivum L.). Ind Crops Prod 2014;55:63–9. doi:10.1016/j.indcrop.2014.02.002.
10. Sa´nchez O´J, Cardona CA. Trends in biotechnological production of fuel ethanol from different feedstocks. Bioresour Technol 2008;99:5270–95.
11. Sukumaran RK, Gottumukkala LD, Rajasree K, Alex D, Pandey A. Butanol Fuel from Biomass. Biofuels, vol. 64, Elsevier; 2011, p. 571–586. doi:10.1016/B978–0- 12–385099–7.00026–7.
12. Guzman D. Green Chemicals Blog: Biobased market studies galore 2013. https:// greenchemicalsblog.com/2013/06/06/biobased-market-studies-galore/
13. Bharathiraja B, Jayamuthunagai J, Sudharsanaa T, Bharghavi A, Praveenkumar R, Chakravarthy M, et al. Biobutanol — An impending biofuel for future: A review on upstream and downstream processing tecniques. Renew Sustain Energy Rev 2017;68:788–807.
14. Ko JK, Lee JH, Jung JH, Lee SM. Recent advances and future directions in plant and yeast engineering to improve lignocellulosic biofuel production. Renew Sustain Energy Rev 2020;134:110390.
15. The Economic Times. AN-32 fleet of IAF allowed to use bio-jet fuel — The Economic Times 2019.
16. Review Airport. SpiceJet airlines first in India to use BioJet fuel made from Jatropha crop. Int Airpt Rev 2018. https://www.internationalairportreview.com/ news/74868/spicejet-first-india-biojet-fuel/
17. Carvalho F, Portugal-Pereira J, Koberle A, Szklo AS. Biojet Fuel in Brazil: Technological Routes and Feedstock Availability. Eur. Biomass Conf. Exhib. Proc., ETA-Florence Renewable Energies; 2016, p. 162–73. doi:10.5071/ 24THEUBCE2016–1BV.4.2.
18. Kang Q, Appels L, Tan T, Dewil R. Bioethanol from lignocellulosic biomass: Current findings determine research priorities. Sci World J 2014.
19. Reid WV, Ali MK, Field CB. The future of bioenergy. Glob Chang Biol 2020;26: 274–86.