Неизбежная альтернатива

По данным организации Worldwatch Institute, в 2007 году в развитие возобновляемой энергетики была инвестирована рекордная сумма — $100 млрд. Однако, несмотря на появление инновационных технологий, позволяющих производить энергию даже из водорослей, доля альтернативных источников в общем объеме мировой энергетики в 2007 году не превысила 5%. Сегодня эксперты единодушны в том, что реальная альтернатива нефти и газу пока не найдена. Хотя исследования в этой области заметно прогрессируют.

В 1960-е годы основой энергетики многих стран, в том числе экономически наиболее развитых, являлась нефть. В большинстве случаев это была достаточно дешевая ближневосточная нефть (с 1920 по 1970 год номинальная цена на нефть колебалась в районе $5 за баррель). Все изменилось в 1973 году, когда ОАПЕК (Организация арабских стран-экспортеров нефти) установила эмбарго на поставки нефти в США и большинство стран Западной Европы, поддержавших Израиль в военном конфликте с Сирией и Египтом. Нефтяной кризис выявил опасность зависимости экономики многих государств от импортируемой нефти. Многие развитые страны пришли к выводу о необходимости разработать новую энергетическую стратегию, основанную на диверсификации источников энергии, энергосбережении и применении альтернативных источников энергии.

Одним из ключевых пунктов этих стратегий стало постепенное переориентирование транспортной отрасли, которая зависит от углеводородного топлива на 95% — это самый высокий показатель в мировой экономике. Сегодня примерно половина добываемой нефти перерабатывается в моторное топливо, причем на автомобили приходится примерно 75% общего объема потребности транспорта в топливе, а оставшиеся 25% в равной пропорции — на авиацию и водный транспорт.

Крупнейшие мировые нефтегазовые компании при поддержке правительств развитых стран сосредоточились на двух основных направлениях в альтернативной энергетике. Первое связано с инновационной разработкой традиционного топлива — извлечением нефти из битуминозных песков, использованием в качестве топлива природного газа, синтезом топлива из угля и пр. Второе — это получение топлива из биомассы. Главный недостаток первого направления в том, что минеральное топливо невозобновляемо, а недостаток второго — сравнительно низкая рентабельность.

Трудные углеводороды

Разработка месторождений битуминозной нефти — реальная альтернатива добыче обычной нефти, учитывая сокращение ее запасов. Более того, если доказанные мировые запасы последней составили на конец 2007 года около 1,24 трлн баррелей (данные ежегодного обзора British Petroleum), то только в битуминозных песках крупнейшего в мире месторождения Альберта (Канада) содержится 1,6 трлн баррелей. Однако крайняя сложность и дороговизна добычи пока не позволяют удовлетворить мировые потребности в нефти. Аналогичная ситуация складывается и с добычей нефти из битуминозных сланцев, содержание нефти в которых оценивается в 2,8-3,3 трлн баррелей. По оценке американской корпорации RAND, производство нефти из сланцев в США станет рентабельным при цене $70-95 за баррель. Хотя этот порог был преодолен еще в 2007 году, добыча не приобретает промышленных масштабов, поскольку производство крайне неэкологично.

В качестве альтернативы жидкому топливу рассматривают газ. Газовое топливо дешевле бензина и экологически чище (при выхлопе выделяется почти в два раза меньше угарного газа), двигатель на таком топливе работает дольше. Газ не разжижает моторное масло, не образует нагара, имеет более высокое октановое число — 100 и выше в зависимости от состава.

Из применяемых сегодня газовых видов моторного топлива выделяют компримированный природный газ (КПГ), сжатый до максимального давления 20 МПа, и сжиженный природный газ (СПГ). Однако сдерживающим фактором для использования КПГ является его низкая теплотворная способность (примерно в пять раз ниже, чем у обычного жидкого моторного топлива), а также значительный вес баллонов для его хранения. Кроме того, у газа меньшая теплота сгорания, поэтому при работе на нем мощность двигателя меньше примерно на 5%. Хранение СПГ также требует соблюдения дополнительных условий, например использования криогенных емкостей (температура кипения метана — минус 162°С). Использование оксигенатов, КПГ, СПГ и СНГ (сжиженного нефтяного газа) требует переоборудования двигателей и создания новой заправочной сети. Кроме того, газовое топливо не позволяет заводить двигатель при температуре минус 10°С и ниже.

Угольные технологии

Альтернативой топливу, вырабатываемому из нефти, может быть синтетический бензин или дизельное топливо, полученные из угля. Впервые синтез метана из окиси углерода (СО) и водорода (H2) был осуществлен французским химиком Полем Сабатье в конце XIX века. В 1902 году он получил смесь углеводородов, напоминающую по составу и внешнему виду нефть Бакинского нефтегазоносного района, а впоследствии научился варьировать состав синтетической нефти. В 1913 году немецкий химик Фридрих Бергиус разработал метод получения жидкого моторного топлива через насыщение водородом смеси, состоящей из измельченного угля и смоляных отходов от производства кокса и генераторного газа. Синтез проходил под высоким давлением и при температуре порядка 500°С. Практическое применение способ нашел после того, как патент на использование метода Бергиуса приобрел крупнейший в то время немецкий концерн IG Farbenindustrie.

В 1926 году немецкие ученые Франц Фишер и Ганс Тропш открыли реакцию восстановления окиси углерода при атмосферном давлении. Оказалось, что в присутствии катализаторов и в зависимости от соотношения H2 и CO можно синтезировать жидкие и даже твердые углеводороды, близкие по химическому составу к продуктам фракционирования нефти. Смесь окиси углерода и водорода, получившую название синтез-газ, они извлекали из природного сырья путем пропускания водяного пара над углем (газификация угля) или через конверсию водяным паром природного газа, состоящего в основном из метана, в присутствии металлических катализаторов. Сырьем для производства служил уголь. Впоследствии в Германии на основе технологии Фишера-Тропша было налажено производство синтетического бензина, дизельного топлива и твердого парафина. К 1945 году в мире насчитывалось 15 заводов, действующих по этой технологии (в основном в Германии, а также в США, Китае, Японии), общей мощностью около 1 млн т условного топлива в год.

После второй мировой войны идея синтеза топлива была также реализована в ЮАР и России. В 1952 году такое топливо начали производить в Новочеркасске (Ростовская область) на немецком трофейном оборудовании, причем в качестве сырья использовался сначала уголь Донецкого бассейна, а затем природный газ. Производство было остановлено в 1990-е годы по экономическим причинам. Южноафриканская компания Sasol построила собственное производство в 1955 году. Благодаря этому во время экономической блокады из-за апартеида ЮАР смогла полностью обеспечить себя синтетическими нефтепродуктами из каменного угля.

Синтетическое топливо

Одним из наиболее перспективных видов альтернативного топлива является синтетическое жидкое топливо (СЖТ), получаемое из природного газа или других газообразных углеводородов. Сегодня разработки в этой области ведут практически все крупнейшие нефтяные компании — Shell, ExxonMobil, British Petroleum и др. Процесс, получивший название "газожидкостная конверсия" (ГЖК; от англ. gas to liquids, или GTL), предполагает превращение богатых метаном газов в жидкость. Как правило, конверсия осуществляется через промежуточное производство синтез-газа. СЖТ сгорает чище, чем обычное топливо,— в нем фактически отсутствует сера, оно не имеет цвета и запаха, в выхлопе содержится меньше твердых частиц и оксида азота, вызывающего смог.

В газожидкостной конверсии используются как технология Фишера-Тропша, так и более новые разработки компаний. Так, компания Mobil применяет собственную технологию MTG (methanol to gasoline), представляющую собой конверсию метанола в бензин в присутствии цеолита ZSM-5. В Новой Зеландии по этой технологии построен завод мощностью 0,75 млн т в год, на котором, правда, производятся только бензиновые фракции. Однако продукты MTG содержат часть ароматических углеводородов, что по экологическим соображениям неприемлемо для современного моторного топлива.

Концерн Shell разработал метод синтеза средних дистиллятов, или SMDS (Shell middle distillate synthesis), который способствует выделению из синтез-газа тяжелых предельных углеводородов. Пройдя стадию гидрокрекинга, они становятся моторным топливом. По этой технологии в 1993 году Shell запустил завод в Малайзии мощностью 14,7 тыс. баррелей в сутки. В настоящее время компания совместно с Qatar Petroleum строит аналогичный завод Pearl GTL в Катаре. Планируется, что газ будет поступать по двум трубопроводам из скважин, находящихся в море в 60 км от берега. Из газа будут извлекать около 120 тыс. баррелей конденсата, сжиженного нефтяного газа и этана в сутки. Оставшийся после этого богатый метаном газ будет в несколько этапов преобразован в ряд продуктов при помощи ГЖК.

СЖТ уже находит коммерческое применение. 22 ноября 2007 года в плавание отправился первый паром, работающий на синтетическом топливе,— Dokter Wagemaker, принадлежащий голландской компании Royal TESO. 1 февраля 2008 года Airbus А380 стал первым коммерческим авиалайнером, полетевшим на топливе, полученном методом газожидкостной конверсии. В Европе и некоторых районах Азии СЖТ продается в смеси с дизельным топливом V-Power концерна Shell.

Впрочем, технология ГЖК, по мнению ряда экспертов, может рассматриваться как перспективная до наступления XXII века — ожидается, что именно к этому времени истощатся запасы природного газа.

Перспективная биомасса

Возобновляемой альтернативой традиционному моторному топливу является биотопливо. Сырьем для биотоплива служит биомасса — все органические вещества растительного и животного происхождения. Биомасса — это шестой по запасам из доступных на сегодня источников энергии после горючих сланцев, урана, угля, нефти и природного газа и пятый по производительности возобновляемый источник энергии после прямой солнечной, ветровой, гидро- и геотермальной энергии. По оценкам Worldwatch Institute, в 2007 году в мире было произведено 54 млрд л биотоплива, что составляет около 1,5% мирового потребления жидкого топлива.

Биотопливо, как и традиционное минеральное топливо, делится на газообразное (биогаз, биобутанол), жидкое (биоэтанол, биометанол, биодизель) и твердое (древесные пеллеты).

Биогаз представляет собой смесь из 55-75% метана, 25-45% углекислого газа и незначительных примесей водорода и сернистого газа. После очистки биогаза от СО2 получается биометан — полный аналог природного газа. Тем не менее производство биогаза пока не нашло промышленного применения. Больше всего в мире малых биогазовых установок находится в Китае — более 18 млн (производят порядка 11 млн т условного топлива в год). Среди европейских промышленно развитых стран ведущее место в производстве и использовании биогаза по относительным показателям принадлежит Дании (доля в энергобалансе страны — 18%).

С экологической точки зрения наиболее перспективным газообразным топливом для автомобилей является водород. Это наиболее теплотворное топливо: из 1 кг водорода может быть получено в три раза больше энергии, чем из 1 кг бензина. Технически идея использования водорода в качестве топлива выглядит просто. Энергия выделяется в результате обмена электронами между молекулами водорода и кислорода, а в качестве побочного продукта образуется вода. Но производство водорода, по количеству энергии эквивалентного литру бензина, обходится в несколько раз дороже. Другая проблема — хранение. Поскольку водород — самый легкий элемент на земле, то, даже если его довести до жидкого состояния, объем бака с водородом будет в четыре раза больше, чем с бензином. Среди других недостатков — взрывоопасность, дорогая заправочная инфраструктура и пр. Для рядовых потребителей водородное топливо пока малодоступно. В 2006 году средняя стоимость автомобиля, оснащенного топливными ячейками на водороде, составляла порядка $100 тыс. Пока человечество не придумало технологий, которые позволили бы водородному топливу полноценно конкурировать с бензином или дизелем.

Прогрессивный спирт

В опубликованном в мае 2008 года компанией British Petroleum ежегодном обзоре мировой энергетической отрасли были приведены такие данные: по подсчетам экспертов компании, если убрать этанол из структуры мирового предложения энергоносителей, то нефтеперерабатывающим компаниям будет не хватать порядка 1,9 млн баррелей в день, а цены на нефть вырастут на 27,5%. Мировое производство этанола достигло 400 млн баррелей в 2007 году и, по прогнозам, составит 485 млн баррелей в этом году. В США рост производства составил 33%, в Бразилии — 27%, в Европе — 7%, а всего за последние пять лет объем производства этанола вырос в два раз.

Биоэтанол — жидкое спиртовое топливо, вырабатываемое из сельскохозяйственной продукции, в основном из культур с высоким содержанием сахара и крахмала, например кукурузы, зерновых или сахарного тростника. Топливный этанол не содержит воды и производится укороченной дистилляцией (две ректификационные колонны, а не пять, как для спирта, применяемого в пищевой промышленности). Биоэтанол нейтрален с точки зрения выброса парниковых газов. Содержащийся в этаноле кислород позволяет более полно сжигать углеводороды топлива. Присутствие в бензине всего 10% этанола позволяет уменьшить выхлопы аэрозольных частиц до 50%, а выбросы угарного газа — на 30%. В 2006 году применение этанола в США позволило сократить выбросы примерно на 8 млн т парниковых газов (в СО2-эквиваленте), что приблизительно равно годовым выхлопам 1,21 млн автомобилей.

Топливо, содержащее этанол, обозначается буквой Е (от английского ethanol). Топливо Е85 — это смесь из 85% этанола и 15% бензина на единицу объема топлива. Пробег машин на таком топливе несколько ниже — примерно 75% от пробега машин на традиционном топливе. Обычные автомобили не могут работать на Е85, однако ездят на Е10 (10% этанола). Так называемые машины с двигателем гибкого выбора топлива (flexible-fuel vehicle, или FFV) могут ездить как на бензине, так и на смеси бензина с этанолом в разных пропорциях (от 5 до 95%). Автомобиль имеет один топливный бак, адаптация к разному составу топлива достигается за счет особой конструкции двигателя. В Бразилии на конец 2006 года насчитывалось порядка 6,4 млн FFV, а в США — 6 млн. Наиболее распространены смеси с низким содержанием этанола Е5, Е7, Е10 (соответственно 5, 7 и 10% этанола в смеси). В этих случаях добавка этанола экономит топливо за счет его замещения и также позволяет обойтись без вредной добавки МТБЭ (метил-трет-бутиловый эфир, который повышает октановое число бензина).

По данным Международного энергетического агентства, за последние четверть века производство этанола в мире выросло с 4,4 млн л в 1980 году до 36,3 млн л в 2005 году. Из них 45% пришлось на Бразилию и 44,7% — на США. В Бразилии этанол производится преимущественно из сахарного тростника, а в США — из кукурузы. В 2005 году в Бразилии производство этанола достигло 16,6 млрд л, сегодня он занимает около 20% общего объема топливного рынка страны. При этом себестоимость производства этанола в Бразилии составляет всего $0,19 за литр (в США — $0,33, в ЕС — $0,55).

США поддерживают производство биоэтанола на государственном уровне. В 2005 году конгресс принял Энергетический билль и Стандарт возобновляемых видов топлива, предусматривающие ежегодный рост производства этанола к 2012 году — до 30 млрд л из зерновых и 3,8 млрд л из целлюлозы. Правительство США предоставляет производителям этанола налоговый кредит до $0,51 за галлон. В конце 2007 года президент США подписал закон об энергетической независимости и безопасности, который предусматривает производство 36 млрд галлонов возобновляемого топлива в год к 2022 году. Согласно данным Ассоциации возобновляемого топлива США, промышленность страны способна увеличить производство этанола на 8,5 млрд галлонов в год.

Растительный дизель

По данным Национального биодизельного совета США, биодизельное топливо на 5% более экономично и на 5% более энергоемко, чем обычное дизельное. Биодизель имеет цетановое число не менее 51 (обычное — 42-45), температуру вспышки более 150°C. Кроме того, это экологически чистый вид энергии: при попадании в воду не причиняет вреда растениям и животным и подвергается почти полному биологическому распаду за 28 дней. Главный недостаток такого топлива — ограниченный срок хранения после изготовления (три месяца). Кроме того, в холодное время года необходимо подогревать топливо, идущее из топливного бака в топливный насос.

Биодизельное топливо вырабатывается из растительных (в основном из сои, рапса, горчицы, масличной пальмы), животных масел и даже пищевых отходов (растительного масла, отработанного предприятиями пищевой промышленности). Минеральное дизельное топливо при устранении из него сернистых соединений теряет свои смазочные способности. Биодизельное, несмотря на значительно меньшее содержание серы, характеризуется хорошими смазочными свойствами, что продлевает срок жизни двигателя (это связано с его химическим составом и содержанием в нем кислорода). Так, грузовик из Германии попал в Книгу рекордов Гиннесса, проехав на биодизельном топливе более 1,25 млн км без замены двигателя.

Биодизельное топливо может использоваться для заправки дизельных автомобилей как в чистом (в США этот вид топлива называется B100), так и в разбавленном виде — в смеси с традиционным дизельным топливом. В США наиболее популярна смесь B20 (20% био- и 80% — обычного дизельного топлива). Крупнейшим производителем биодизеля является Евросоюз. На середину 2008 года там функционировали 214 заводов суммарной мощностью 16 млн т биодизельного топлива в год. В США на тот же период работали 149 заводов суммарной мощностью примерно 6,75 млн т в год.

Вторичное биотопливо

Одним из последних достижений современной альтернативной энергетики стало биотопливо второго поколения, которое получают различными методами, в том числе пиролизом биомассы. Технология получила название biomass to liquids (BTL). Быстрый пиролиз позволяет превратить биомассу в жидкость, которую легче и дешевле транспортировать, хранить и использовать. Согласно исследованиям концернов DaimlerChrysler и Volkswagen, синтетическое биотопливо не требует специальной доработки существующих автомобильных двигателей и модернизации сетей АЗС. Оно практически не содержит углекислого газа, серы и ароматических углеводородов. Для этого топлива характерна высокая плотность энергии (40 МДж/л), что делает его сравнимым по качеству с синтетическим жидким топливом, произведенным из газа. Кроме того, у него высокая выработка с гектара — 4 тыс. л дизель-эквивалента, в то время как у этанола — 2,5 тыс. л, у растительного масла, производимого из рапса,— 1,3 тыс. л. Однако стоимость производства одного литра биотоплива второго поколения существенно выше, чем такого же объема топлива из минерального сырья, и составляет 70 центов за литр против 35-40 центов за литр дизельного.

По оценкам Немецкого энергетического, сегодня производство топлива путем пиролиза биомассы может удовлетворить 20% потребностей Германии в автомобильном топливе, а к 2030 году — до 35%. Себестоимость производства при этом составит менее €0,8 за литр топлива.

Из разновидностей биотоплива второго поколения, появившихся недавно на рынке, известность получило топливо под торговыми марками BioOil канадской компании DynaMotive, SunDiesel немецкой компании Choren Industries GmbH, O2Diesel одноименной американской компании и NExBTL финской компании Neste Oil.

Так, бионефть (буквальный перевод термина BioOil) изготавливается путем преобразования органических лесных (древесные опилки, кора) и сельскохозяйственных (жом) отходов в процессе быстрого пиролиза. Продолжительность процесса — около двух секунд. При этом часть газов, не прошедших процесс сжижения, используется для поддержания температурного режима. Первый промышленный завод по производству бионефти по технологии DynaMotive начал работу в 2005 году в Западном Лорне (Онтарио, Канада). Ежегодно он производит 36,5 тыс. т биотоплива. Второй завод, мощностью 73 тыс. т в год, запущен в середине 2007 года.

В конце 2007 года в немецком городе Фрайберг немецкая компания Choren запустила промышленную установку по производству биотоплива SunDiesel. Ежедневно она производит 60 тыс. л биотоплива из чуть более 200 т биомассы. Ежегодных объемов производства хватает для обеспечения годовой потребности в горючем 15-20 тыс. легковых автомобилей.

Топливо O2Diesel представляет собой смесь из 7,7% этанола, 1% цетановой присадки и 20% дизеля, гомогенность которой достигается за счет частичного окисления (на 35%) этанола кислородом (отсюда О2 в названии). Распространено в США, Бразилии и Индии. После того как в марте 2007 года 80% акций O2Diesel Corporation было приобретено крупным производителем этанола компанией ProEco, менеджмент обеих компаний принял решение о строительстве на базе существующих мощностей еще двух заводов по производству порядка 380 млн л биотоплива O2Diesel в год. Строительство должно завершиться в этом году.

NExBTL представляет собой смесь биодизеля и водорода. Технология финской Neste Oil позволяет перерабатывать растительные масла или животные жиры в подобие солярки, параллельно получая другие продукты, например газ пропан. В 2007 году на базе нефтеперерабатывающего завода компании в Порвоо состоялся запуск производства биотоплива мощностью 170 тыс. т топлива в год. Для работы заводу ежедневно требуется около 24 т водорода.

Энергетические водоросли

По оценкам департамента энергетики США, с гектара земли можно получить 255 л соевого масла или 2,4 тыс. л пальмового масла. На такой же площади, залитой водой, можно производить до 567,6 тыс. л бионефти. С 1978 по 1996 год в рамках программы по исследованию водной флоры и фауны по заказу департамента ученые исследовали водоросли с высоким содержанием масла и пришли к выводу, что в климатических условиях Калифорнии, Гавайев и Нью-Мексико на 200 тыс. га прудов возможно промышленное производство биотоплива, достаточного для годового потребления 5% автомобилей США. Однако в 1996 году было решено, что водоросли не могут конкурировать с ископаемым топливом.

Спустя десять лет, когда цены на нефть выросли почти в два раза, американские разработчики вновь обратились к идее извлечения энергии из водорослей. Для ее реализации были разработаны специальные технологии. Вместо прудов для выращивания водорослей стали использовать закрытые вертикальные системы в виде длинных рядов движущихся прозрачных пластиковых мешков. Технология, разработанная американской компанией Valcent Products, получила название Verti-Gro и обошлась в $5 млн.

В 2006 году канадская компания Global Green Solutions объявила о строительстве завода по производству биодизельного топлива из водорослей по технологии Verti-Gro мощностью 4 млн баррелей бионефти в год.

О том, что сине-зеленые водоросли действительно представляют собой весьма перспективный источник альтернативной энергии, говорит тот факт, что инвестированием в их переработку заинтересовался бизнесмен номер один в мире, основатель корпорации Microsoft Билл Гейтс. В сентябре 2008 года стало известно, что инвестиционный фонд Cascade Investment, существующий на деньги Гейтса, учредил компанию Sapphire Energy, которая займется переработкой морских водорослей в автомобильное топливо. Эксперты компании указывают на то, что из всех видов органического сырья водоросли являются самыми дешевыми и эффективными. В отличие от сахарного тростника или подсолнечного масла они не используются в пищевой промышленности. Компания уже получила $100 млн на создание перегонного завода мощностью 10 тыс. баррелей биотоплива в сутки. В финансировании Sapphire Energy также приняли участие компании Arch Venture Partners, Wellcome Trust и Venrock. Планируется, что завод начнет производство в 2011-2012 годах.