IT-Байки: Ода биотопливу в разгар кризиса

Так уж парадоксально устроена наша современная цивилизация: чем активный виток развития мировой экономики влечёт за собой рост спроса на энергию и неминуемый взлёт цен на энергоносители; спад в экономике и соответствующее снижение объёмов производства приводит к снижению цен на топливо. И, хотя альтернативная энергетика в современном понимании ещё достаточно молода, интерес к её развитию меняется в полном соответствии с этими "качелями". Чем больше спрос и цены на топливо, тем более объёмны инвестиции, чем ниже деловая активность и цены на горючее, тем меньше интереса к инвестициям в альтернативную энергетику. История инвестиций в альтернативную энергетику насчитывает уже несколько взлётов и падений, неминуемо повторяющих колебания деловой активности планеты. Поиски путей получения топлива из возобновляемых ресурсов начались развитыми странами ещё в 50-е годы прошлого столетия. Интерес к ним значительно обострялся во время нефтяного кризиса 70-х годов, благодаря чему, например, в 1978 году появилась программа Aquatic Species Program (ASP) под патронажем национальной лаборатории США по возобновляемой энергии (NREL, US National Renewable Energy Laboratory) и подразделением Office of Fuels Development при Министерстве энергетики США. Снижение интереса к программе затем пошло на убыль по мере снижения цен на нефть, в результате чего программа была фактически заморожена в 1996 году. Дальнейшее развитие альтернативной энергетики началось уже в новом тысячелетии. По мере роста спроса на промышленную продукцию, развития новых рынков сбыта и, соответственно, новых рынков производства, спрос на минеральное топливо взлетел до небывалых ранее высот. В результате на протяжении двух последних лет все мы были свидетелями чуть ли не ежедневных новостных "фонтанов". Первый из них – это улетающие ввысь цены на нефть и газ. Второй – растущие проблемы с экологией планеты, новый вариант Киотского протокола, проблемы и успехи альтернативной энергетики. И вот мировая экономика вновь попала в очередную яму, которая в последнее время всё больше напоминает пропасть. Сокращаются доходы, падает спрос, останавливаются и закрываются заводы. Или в обратной последовательности, суть от этого не меняется: одно дело - рентабельность альтернативной энергетики при цене нефти $150 за баррель, и совсем другое при цене в четыре-пять раз меньшей.

Кому это нужно и выгодно сейчас?

Казалось бы сейчас, когда мировым экономикам уже не до жиру, самое время "заткнуться" по поводу экологических программ и прочих традиционно малорентабельных и убыточных проектов; им, экономикам, хотя бы выжить. Однако полной аналогии с предыдущими кризисными витками экономики в этот раз не наблюдается. И тому есть ряд серьёзных причин. Несмотря на то что экологический фактор во времена кризиса уходит далеко на второй план ("не до жиру, быть бы живу"; плюс загрязнение планеты при снижении темпов производства действительно снижается), совсем отбрасывать в сторону его влияние также нельзя. На планете действительно остаётся всё меньше пригодных для жизни мест, а большие современные города благодаря автотранспорту так и вовсе давным-давно превратились в душегубки для миллионов. Прежде всего, альтернативные источники энергии по мере совершенствования становятся действительно массовыми и выгодными. Сегодня уже никого не удивить гибридным автомобилем, а массовое производство автомобиля с электрическим, этаноловым или биодизельным двигателем уже не выглядит как раньше этакой фантастической сумасбродной идеей для богатых чудил и, можно уверенно сказать, уже не за горами. Можно продолжить загибать пальцы в перечислении плюсов альтернативной энергетики, но, пожалуй, будет достаточно ещё одного, но наиболее веского соображения: кризис не вечен. Каким бы глубоким не был мировой экономический катаклизм, рано или поздно он закончится и пойдёт на спад: мы вновь начнём покупать без разбору нужные вещи и не очень нужные; оживёт производство; увеличится потребление энергии. Иными словами, тот, кто сейчас найдёт силы и средства продолжать исследования в области получения альтернативного топлива, совсем скоро, когда цены на минеральное сырьё "попрут" вверх, будет пожинать значительные дивиденды.

Опять двадцать пять?

Многие исследования рентабельности альтернативных видов топлива, проводившиеся в середине 90-х годов прошлого века, частенько сводились к единой магической отметке. При цене барреля нефти ниже $100 производство большинства альтернативных видов топлива считалось невыгодным, получалось дешевле добыть, транспортировать и переработать минеральное сырьё. Интерес к таким нерентабельным проектам просматривался разве что по причине меньшего вреда от использования альтернативного топлива для экологии планеты. Однако сейчас, благодаря современным технологиям, планка рентабельности производства альтернативного топлива постоянно снижается. В качестве примера можно привести результаты исследования группы нидерландских учёных под руководством Робина Цварта (Robin Zwart), недавно опубликованные в журнале ACS Energy & Fuels. В качестве основы для исследований учёные взяли модель получения жидкого биотоплива из биомассы – BtL (biomass-to-liquids) как один из наиболее многообещающих способов добычи альтернативного топлива. Типичный BtL-процесс подразумевает преобразование биомассы (трава, сено, щепа и другие отходы деревообрабатывающей промышленности) в газ на первом этапе. А далее, с привлечением доступных коммерческих химических производств, на втором этапе осуществляется получение жидкого топлива для автомобилей. Сложность и в то же время реализм моделированию рентабельности такого производства придали следующими дополнительными условиями: мощности для производства жидкого биотоплива должны быть расположены на территории Европейского Союза, в то время как сырьё – биомасса, после предварительной обработки импортируется из других стран вне ЕС. Итог получился поразительный. На нынешнем этапе развития BtL-технологии галлон жидкого высококачественного биотоплива из биомассы при условии импорта сырья обойдётся всего в $2,60 (примерно $0,69 за литр)! Иными словами, даже при условии импорта сырья для BtL-технологии получение жидкого биотоплива из биомассы для ЕС становится рентабельным и экономически обоснованным при цене сырой нефти более $60 за баррель. Шестьдесят – это уже не сто, это совсем другой разговор.

А если постараться ещё лучше?

Логичный вопрос: если всё так просто и выгодно, почему земной шар до сих пор ещё не покрылся сетью заводов по перегонке биомассы в биотопливо? Сложности, как обычно, кроются в мелочах. Если копнуть глубже, ключевой проблемой многих проектов получения альтернативного топлива по-прежнему является сложность технологического процесса. Вспомнить хотя бы недавний пример с тихо свёрнутыми идеями по производству биодизельного топлива из масличных культур: только объявили программу – моментально взлетели цены на зерно, а в некоторых странах ещё и на готовую продукцию вроде подсолнечного масла. Или взять популярную идею автомобиля с двигателем на этаноле: столько самых разных экономических, социальных и технологических сложностей, что пока может лучше и не стоит. Не всё пока просто и с переработкой биомассы на биотопливо. Вроде бы, без особого труда в Сети обнаруживаются десятки различных многообещающих проектов с высокой рентабельностью, а копни глубже – десятки промежуточных этапов химической и физической обработки, множество реактивов, коктейли из энзимов, просто уйма побочных отходов производства… Выходом из ситуации могли бы стать простые и технологии, включающие минимум этапов переработки сырья. Среди множества свежих сообщений на тему перспективных технологий получения биотоплива из биомассы (будьте уверены, несмотря на кризис таких публикаций по-прежнему вал) мне удалось найти проект, обещающий получение горючего всего лишь в два этапа! Новый процесс переработки биомассы в биотопливо, разработанный учёными из Университета Висконсин-Мэдисон (University of Wisconsin-Madison) и представленный в статье под названием "Simple Chemical Transformation of Lignocellulosic Biomass into Furans for Fuels and Chemicals " в одном из февральских выпусков Журнала Американского Химического общества (Journal of the American Chemical Society), описывает беспрецедентно простой способ получения биотоплива из необработанной непищевой биомассы путём 2-этапного преобразования. Основа метода – первый этап, в процессе которого основной компонент биомассы – целлюлоза, превращается в вещество с трудно произносимым названием "5-гидроксиметилфурфурол" (5-hydroxymethylfurfural, HMF, C₆H₆O₃). На практике этот самый HMF представляет собой превосходную "химическую основу" для производства множества самых разнообразных органических химических веществ. В том числе, на втором этапе - того самого требуемого биотоплива. Многие учёные занимались вопросом получения HMF непосредственно из биомассы, однако методики значительно сложнее, за несколько этапов, к тому же начало преобразований идёт от глюкозы или фруктозы. Однако вся изюминка – именно в первом едином этапе и изначальной работе с целлюлозой. Для этого учёные применяют уникальный запатентованный "растворитель", изготовленный из смеси сольвентов и специальных добавок. Точной формулы чудо-растворителя мне найти не удалось, однако в описании процесса учёные описывают его как диметилацетамид (N,N-dimethylacetamide, DMA; CH₃C(O)N(CH₃)₂) с содержанием хлорида лития (LiCl). Одним из необычных свойств этого растворителя как раз и является невероятная производительность по растворению длинных энергетически богатых полисахаридных цепей целлюлозы, коими богаты любые растения. По словам руководящего проектом профессора Рональда Рейнса (Ronald Raines), разработанный в его лаборатории растворитель способен, к примеру, полностью растворять шарики ваты, представляющей собой чистую целлюлозу. Растворитель при этом достаточно прост, не едок, не обладает резким запахом, химически не опасен для здоровья и главное, недорог. Этот растворитель действует достаточно быстро (1−5 часов) с высокой производительностью (до 92%) при сравнительно низкой температуре (менее 140°C). Интересно также отметить, что учёным при этом удалось легко обойти типичное препятствие подобных разработок в виде лигнина – полимера, "склеивающего" стенки растительных клеток и затрудняющего доступ к целлюлозе. Кстати, в качестве простого второго этапа учёные предлагают преобразование HMF в вещество под названием "2,5-диметилфуран" - DMF (2,5-dimethylfuran, C₆H₈O). Сегодня DMF считается многообещающим перспективным видом биотоплива благодаря ряду полезных свойств. В частности, как гласит Wikipedia, энергетическая плотность DMF на 40% выше нежели у этанола и вполне сравнима с некоторыми бензинами. Помимо этого DMF химически стабилен, нерастворим в воде и, соответственно, не поглощает влагу из атмосферы. Иными словами, полностью совместим с уже имеющейся инфраструктурой транспортировки жидких видов топлива. Кстати, уже сейчас DMF применяется в качестве добавок для бензина. Самое интересное – это, конечно, производительность процесса. В настоящее время учёным удалось добиться 9% эффективности переработки биомассы в биотопливо. Это означает, что 9% целлюлозы, содержавшейся в применявшихся для эксперимента стеблях кукурузы, были полностью переработаны в биотопливо. Также интересно отметить, что помимо стеблей кукурузы в качестве сырья для процесса учёные также использовали обычные сосновые опилки, с примерно схожим результатом. Эксперименты с разными типами сырья, судя по публикации, будут продолжены, однако учёные уверены, что процесс универсален и для производства DMF или HMF подойдёт практически любой тип растительной биомассы.

---

Возможно, КПД процесса получения DMF-биотоплива пока не столь уж впечатляющ, однако учёные продолжают работать над его оптимизацией и обещают значительным образом его улучшить, особенно на втором этапе. Впрочем, даже с имеющимися цифрами можно помечтать. Например, о масштабируемости производства. Безусловно, хороши крупные промышленные центры с возможностью универсальной переработки различных типов биосырья. Однако чем хуже небольшой "перегонный заводик" сельского или поселкового масштаба, использующий в качестве сырья отходы местной лесопилки? Или всю биомассу, не используемую в хозяйстве на производство кормов. Да мало ли откуда можно получить целлюлозу: мне так порой кажется, что мировой запас бумажной макулатуры и сломанных стульев, накопленных цивилизацией, скоро превысит по весу количество растущих на Земле деревьев. Ну, может и преувеличиваю, но в любом случае запасы такого мусора давно считаются промышленными. Что касается КПД производства… Между прочим, для местного "топливного заводика" даже процент выхода продукции может быть делом десятым – всё равно сырьё пропадает, а так, глядишь, хватит для удовлетворения локальных потребностей в топливе. Для той же посевной, городского транспорта и так далее, так далее. Есть над чем подумать.

---

Не исключено, что кому-то из наших читателей сегодняшний материал покажется излишне… оптимистичным. Что ж, спорить не буду, есть немного, особенно в области перспектив скорой массовости внедрения таких технологий. Однако прочитав материал, подумайте, не будет ли вам со временем обидно, когда посторонний дядя построит у вас заводик, где из вашего же сырья с помощью "секретных ингредиентов из сейфа" будет превращать опилки в биотопливо с той же лёгкостью, с какой сейчас ваша вода превращается в различные "импортные" колы? А ведь так и будет - если не позаботиться о собственных технологиях сейчас, не взирая ни на какие кризисы…

---

Ссылки по теме:

• University of Wisconsin–Madison
• Journal of the American Chemical Society
• Wikipedia

Материалы для дополнительного чтения:

• IT-байки: Поговорим о глобальном изменении климата?
• IT-байки: заряжай мобильник силой… коленки. И мысли
• IT-байки: водоросли - топливо будущего?
• IT-байки: 10 советов по персональному улучшению мирового климата
• IT-байки: Каждому водителю - собственную топливную колонку!
• IT-байки: Самонадевающиеся штаны? Нет, самозарядная электроника!
• IT-байки: Перспективы биотоплива из морских водорослей
• IT-Байки: хомячок в качестве батарейки мобильника