Как из опилок, пищевых отходов и даже навоза получают энергоресурс под названием биотопливо

Все, что было или будет едой, может стать и топливом. Неважно, где вы сейчас находитесь: в городской квартире, избушке на краю леса или в бунгало на берегу моря — рядом с вами точно есть хотя бы один источник биологического топлива. Главное условие — органическое происхождение сырья. Обзорная статья по теме от онлайн-журнала про энергию и энергетику «Энергия+»

Биотопливо появилось еще тогда, когда об энергетике никто не задумывался. Люди тысячелетиями грелись у костра и топили печки, и даже успели изобрести автомобили на дровах (первая такая машина появилась в 1900 году). Биотопливо — это горючее из растительного или животного сырья, продуктов жизнедеятельности и органических отходов. Оно бывает твердым, жидким и газообразным.

Это дрова и все, чем их можно заменить: опилки, кора, солома, щепки, даже ореховая скорлупа и шелуха от семечек. Если все это спрессовать в гранулы, получатся пеллеты: дешевый аналог дров, который оставляет меньше золы и почти не дымит. Твердым биотопливом можно топить печи, а можно сжигать его на тепловых электростанциях и получать электричество.

В мире работают сотни таких станций, несколько есть и в России. Они используются для теплоснабжения небольших городов, сел или отдельных объектов. Количество вырабатываемого на таких станциях электричества зависит от тепловой мощности и составляет десятки мегаватт.

Это спирты, которые используются как добавка к бензину. Самое популярное жидкое биотопливо (и самое распространенное в мире) — биоэтанол, который получают из богатых сахаром и крахмалом культур: кукурузы, сахарной свеклы, картофеля, зерна, сахарного тростника. Есть еще биодизель: основное сырье для него — растительные масла: рапсовое, пальмовое, соевое, кокосовое. Биологический дизель могут смешивать с нефтяным и использовать как самостоятельное топливо.

«Например, при создании этанола из кукурузы ископаемые виды топлива используются при производстве удобрений, транспортировке сырья и перегонке этанола, а количество энергии, получаемой при сжигании этанола, значительно меньше, чем при сжигании бензина, — поясняет эксперт. — В краткосрочной перспективе маловероятно, что весь энергетический комплекс сможет перейти исключительно на биотопливо».

Есть и другие варианты жидкого биотоплива, например биобензин, который делают из микроводорослей. В 2019 году российские ученые из МГУ и Объединенного института высоких температур РАН представили новую технологию, позволяющую получать биобензин с помощью гидротермального сжижения. Мокрую биомассу нагревают до температуры 370 градусов Цельсия и сжимают под давлением 25 мегапаскалей. В результате получается бионефть, из которой затем выделяют бензиновую фракцию. Преимущество способа в том, что сырье не нужно предварительно сушить, как требовалось ранее, и в бионефть преобразуются все компоненты микроводорослей.

Газообразное биотопливо получают при ферментации (контролируемом гниении) биомассы — органических отходов — гнилых фруктов и овощей, отходов мясо- или рыбопереработки. В специальных биогазовых установках органические вещества разлагаются с помощью микроорганизмов, и образуется биогаз, состоящий из метана и углекислого газа.

В зависимости от требуемых земельных ресурсов и энергоемкости растительное сырье разделяют на поколения:

I поколение — сельскохозяйственные культуры, которые содержат много жиров, крахмала, сахаров и требуют больших площадей для выращивания;
II поколение — несъедобные остатки растений: древесина, солома, лузга, содержащие целлюлозу и лигнин;
III поколение — водоросли, для выращивания которых не требуется земельных ресурсов.

Там, где дрова всегда были драгоценным ресурсом, люди придумали им дешевую замену — навоз. Отходы пищеварения содержат много простых органических веществ с высокой калорийностью и дают почти столько же энергии, сколько дрова. Главное — как следует их высушить.

Проще всего собрать готовые «лепешки» и на несколько месяцев отправить их в хорошо проветриваемое помещение, где они будут сохнуть и избавляться от запаха. Еще вариант — долго копить навоз, чтобы он спрессовался и стал похож на пластилин, а затем распилить на брикеты — и тоже отправить на просушку. Третий способ — перемешать его с соломой или сеном, слепить кирпичи или лепешки, высушить. Самый технологичный метод приготовления таких брикетов — смешать сырье с растительным наполнителем, загрузить в форму и сжать с помощью пресса.

Делать топливные брикеты можно также из глины, смешанной с бумагой, шелухой, скорлупой, соломой в пропорции 1:10. К этой смеси добавляют немного воды, чтобы получилась густая «каша». Она закладывается в форму и отправляется под пресс, а готовые брикеты потом сушатся на солнце.

Чтобы сделать биогаз, помимо сырья, то есть органических отходов вперемешку с водой, понадобится биореактор, живые бактерии и газгольдер — резервуар, куда поступает и где хранится готовый горючий продукт. Отходы помещаются в биореактор, «бродят», в процессе выделяется биогаз. Все, что перебродило, отправляется в специальный отстойник и затем становится удобрением. Биогаз поступает в газгольдер и оттуда к газовому устройству.

Один из плюсов биотоплива — возобновляемость. Трава всегда растет, а скот всегда ее перерабатывает. Но трава, например для жидкого биотоплива, годится не любая, нужны «энергетические растения» — важные сельскохозяйственные культуры, источник пищи и кормов: сахарная свекла, картофель, зерновые. Для их выращивания требуется земля, вода, удобрения, техника и горючесмазочные материалы.

Чтобы две «ипостаси» сельскохозяйственных растений не конкурировали между собой, производители биотоплива ищут виды, которые станут чисто энергетическими культурами. Успешные кандидаты есть: например неприхотливый южный злак мискантус (его также называют веерник). Он не боится жары и вредителей, нетребователен к почвам и готов расти там, где другие злаки даже колоситься не будут.

Деревья тоже выращивают ради энергетики: на Земле есть целые энергетические леса. Породы деревьев и кустарников в них собраны по «скоростному» принципу: тополь, ива, акация — все они быстро растут. Ученые считают биологическое топливо перспективным, и все-таки ему пока далеко до ископаемого, которое обеспечивает больше 70% от общего мирового потребления энергии. Среди возобновляемых источников энергии биотопливо на последних позициях: здесь преобладает гидроэнергетика (около 15% от мирового производства энергии в 2021 году), далее — ветряная (около 6%), солнечная (около 4%) и биотопливо (около 2%). Чаще всего биотопливо используется для отопления частных домов, гораздо меньшая доля задействована в промышленности и в транспортной отрасли.