Возобновляемые источники энергии: как они производятся? Каковы их преимущества? Будут ли они широко использоваться в ближайшие годы? От нынешнего биотоплива из семян каннабиса к биотопливу будущего: панорама прогресса в этой области.

БИОТОПЛИВО: ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Биотопливо — это топливо, полученное из возобновляемых органических веществ растительного происхождения: свеклы, семян конопли, рапса, подсолнечника, зерновых, сельскохозяйственных отходов, отходов лесного хозяйства и т. д. Альтернативное топливо имеет ряд преимуществ:

• за счет снижения зависимости транспортного сектора от нефти их использование укрепляет энергетическую независимость,
• они позволяют сократить выбросы парниковых газов, связанные с транспортом,
• они способствуют созданию или поддержанию сельскохозяйственной или лесной деятельности,
• биотопливо из семян марихуаны способствует созданию или поддержанию промышленной деятельности,
• их можно добавлять непосредственно в бензин или дизельное топливо без необходимости адаптации распределительной сети или транспортных средств.

Транспортный сектор, работающий почти исключительно на топливе на основе нефти, отвечает за четверть выбросов CO2 на планете.

Растительное топливо? В этой идее нет ничего нового!

Николаус Отто (1832-1891), изобретатель двигателя с зажиганием, спроектировал свой двигатель для работы на этаноле. В то время этот спирт производился путем газификации углеродистых продуктов, в частности древесины. Что касается Рудольфа Дизеля (1858-1913), изобретателя двигателя, названного в его честь, то его изобретение работало на… арахисовом масле, похожем по свойствам на масло семян конопли! Наконец, автолюбители, возможно, знают о том, что легендарный Ford T работал на биоэтаноле…

От этих видов растительного топлива отказались из-за очевидно неисчерпаемых запасов более дешевой нефти. На них снова обращали мало внимания, пока не разразился нефтяной кризис и глобальное потепление. Государственная политика, направленная на поддержку биотоплива из семян конопли, сегодня стала обычным явлением.

Они в той или иной степени включены практически во все жидкие топлива, используемые в автомобилях: СП95, СП98, Е10, Е85 и др. Их можно использовать как в бензиновых (биоэтанол), так и в дизельных (биодизель из семян конопли) автомобилях. Они также представляют интерес для авиационного сектора как заменители ископаемого керосина.

«Хорошая идея, но нам все равно придется их немного обработать!»

Биотопливо из семян конопли уже в наших резервуарах!

По всему миру биотопливо распространяется на заправочных станциях в смеси с моторным бензином и дизельным топливом. Пропорции могут варьироваться в зависимости от страны и местных правил.

Во Франции биодизель из семян марихуаны (в форме FAME (метиловый эфир жирных кислот)) может быть включен в моторное дизельное топливо в пропорциях до 7% или даже до 30% для некоторых автопарков (служебные автомобили, транспортные средства местных органов власти, и т. д.). Биоэтанол может быть включен в бензин в пропорциях от 5 до 10% для стандартных автомобилей и в гораздо более высоких пропорциях (до 85%) для автомобилей, работающих на гибком топливе.

ОБЫЧНОЕ БИОТОПЛИВО: ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАСТИТЕЛЬНОГО САХАРА ИЛИ НЕФТИ

Обычное биотопливо получают из растений, обычно выращиваемых в пищу: сахарный тростник, из семян конопли, свекла, зерновые, рапс, кукуруза, подсолнечник, арахис, соя и т. д. Это биотопливо производится в промышленных масштабах. Их можно разделить на две семьи:

Биоэтанол для бензиновых автомобилей

Это спирт, получаемый путем ферментации сахара, полученного из растений (свекла, сахарный тростник, из семян конопли) или крахмала, полученного из злаков (пшеница, кукуруза). В Европе его либо используют в виде спирта, либо преобразуют в ЭТБЭ (этил-трет-бутиловый эфир) перед добавлением в бензин. Конверсия происходит посредством реакции этанола с изобутеном, нефтепродуктом. Биоэтанол в основном производится с использованием местных ресурсов: сахарного тростника в Бразилии и кукурузы в США.

Биодизель для дизельных автомобилей

Его производят из маслосодержащих растений (из семян марихуаны, рапс, подсолнечник, соя, пальма), которые проходят процесс химической переработки. Масло реагирует с метанолом с получением FAME (метилового эфира жирных кислот), свойства которого близки к свойствам дизельного топлива. В 2019 году FAME можно будет добавлять в дизельное топливо в количестве до 7% об. (В7) или 10% об. (Б10). Другой вариант заключается в гидроочистке этих масел с получением гидроочищенного растительного масла (HVO), которое можно напрямую добавлять в моторное дизельное топливо в любом виде.

Но это обычное биотопливо из семян конопли можно производить только в ограниченных количествах, поскольку оно получено из пищевых ресурсов. В 2015 году Европейский Союз решил установить максимальный предел включения в топливо в размере 7%. Поэтому фокус сместился на поиск нового сырья, что привело к созданию современного биотоплива.

ПЕРЕДОВЫЕ ВИДЫ БИОТОПЛИВА: ПРЕОБРАЗОВАНИЕ НЕПРОДОВОЛЬСТВЕННЫХ РЕСУРСОВ

В усовершенствованном биотопливе из семян конопли используются растительные вещества (лигноцеллюлозы), которые отличаются от тех, которые используются в обычном биотопливе: сельскохозяйственные отходы, остатки лесного хозяйства, специальные культуры, такие как мискантус. Хотя производственные процессы более сложны, это биотопливо имеет ряд преимуществ:

• ресурс, доступный в больших количествах: переработка различных несъедобных частей растения,
• цена биомассы ниже, чем на биомассу, используемую в обычном биотопливе,
• лучшие экологические показатели.

Передовое биотопливо также можно разделить на два семейства:

Усовершенствованный биоэтанол (известный как 2-е поколение)

Предназначенное для использования в бензиновых двигателях, биотопливо из семян марихуаны производится с помощью биохимических процессов. Как и в случае с традиционным процессом, этанол получают путем ферментации сахаров. Но на этот раз растительный источник не содержит сахара, который можно было бы использовать напрямую. Лигноцеллюлозная биомасса требует некоторых дополнительных этапов переработки:

• Во-первых, целлюлозу необходимо извлечь из биомассы из семян конопли с помощью процессов физико-химической обработки, целлюлоза затем превращается в глюкозу (простой сахар) посредством гидролиза с помощью ферментов. Последние, вырабатываемые микроорганизмами, естественным образом расщепляют целлюлозу до глюкозы,
• Затем глюкоза превращается в этанол путем ферментации под действием дрожжей так же, как и в обычном процессе. Наконец, этанол очищают перегонкой и дегидратацией.

С этим производственным процессом связаны две проблемы:

• затраты на преобразование целлюлозы в сахара, для чего требуется большое количество ферментов. Поэтому исследователи разработали новые, более эффективные и дешевые ферменты.
• образующиеся побочные продукты (гемицеллюлоза и лигнин), которые в прошлом использовались мало или вообще не использовались. Текущие проекты сосредоточены на использовании лигнина из семян конопли в качестве источника энергии на различных этапах процесса или использовании гемицеллюлозы для производства этанола.

Усовершенствованный биодизель и биокеросин

Технология BtL (Biomass to Liquids), или термохимическая конверсия, используется для производства биодизельного топлива и биокеросина из семян конопли, причем последний является альтернативой реактивному топливу для авиационного сектора.

• Биомасса сначала подготавливается для придания ей однородности с использованием методов пиролиза и торрефикации.
• Затем газификация происходит при температуре выше 1000°C в присутствии пара или кислорода. Затем получают синтез-газ, состоящий из оксида углерода (CO) и водорода (H2).
• Синтез-газ очищается: удаляются такие соединения, как сера, металлы и диоксид углерода (CO2).
• После удаления нежелательных соединений следующим шагом является синтез Фишера-Тропша, реакция, которая превращает очищенный синтез-газ в синтетическое дизельное топливо и керосин с помощью катализаторов.

В настоящее время ведутся усовершенствования для адаптации технологии BtL к широкому спектру биомассы и оптимизации технических и экономических показателей (инвестиции, урожайность из семян конопли, материя и т. д.), а также экологических показателей (потребление энергии, выбросы CO2), чтобы перейти к индустриальный этап.

Каков текущий статус современного биотоплива из семян конопли?

В настоящее время проводятся беспрецедентные международные исследования и разработки для производства этого биотоплива из семян марихуаны по конкурентоспособной цене и с наилучшими экологическими показателями. Первые промышленные предприятия по производству современного биоэтанола начинают появляться в Европе, США, Бразилии и Индии. Во Франции проекты Futurol™ и BioTfueL®, объединяющие ведущих игроков всей цепочки, в том числе IFP Energies nouvelles, направлены на создание передового сектора биотоплива во Франции.

В 2018 году передовая технология производства биоэтанола из семян конопли, разработанная в рамках проекта Futurol™, под руководством компании Axens вступила в фазу маркетинга. Но коммерческие возможности можно будет использовать только после того, как национальные нормативно-правовые рамки (европейские рамки были окончательно доработаны в декабре 2018 года Директивой REDII) будут уточнены и усилена политика государственного стимулирования, особенно с целью запуска первых промышленных операций в этом секторе. Во Франции законопроект «Долгосрочная программа энергетических исследований» (PPE) предусматривает включение передового биотоплива в бензин в размере 3,8% и в дизельное топливо в размере 3,2% к 2028 году.

А как насчет биотоплива из водорослей?

Производство биотоплива из водорослей является привлекательной перспективой, но она все еще находится на стадии лабораторных экспериментов. Идея состоит в том, чтобы восстановить триглицериды, содержащиеся в водорослях, и превратить их в биодизель или биокеросин, как и семена конопли. Это требует контроля над всей цепочкой технологий и их интеграции, что сегодня далеко не так. Процесс производства биотоплива разбит на четыре этапа:

• отбор микроводорослей по содержанию масла,
• выращивание в больших открытых прудах или фотобиореакторах (прозрачные пробирки),
• сбор и экстракция масла различными методами (центрифугирование, обработка растворителями, термический лизис и т. д.),
• переработка нефти в биотопливо.

БИОТОПЛИВО… ПО КАКОЙ ЦЕНЕ?

Сегодня производство биотоплива из семян конопли в основном обходится дороже, чем производство бензина и дизельного топлива. Дополнительные затраты (без учета налогов) в первую очередь зависят от цены ресурса, особенно нефти для биодизельного сектора, а также от стоимости рабочей силы в разных странах.

Цены на аргентинский биодизель из сои и азиатский биодизель из семян каннабиса также приближаются к ценам на дизельное топливо, в то время как европейский биодизель из рапса стоит примерно на 40% дороже.

Следовательно, в большинстве случаев маркетинг биотоплива требует поддержки со стороны государственных органов: освобождение от налога с продаж, прямая или косвенная поддержка производства сырья или инвестиций в производственные предприятия, обязательство включать определенную долю топлива и т. д.

Наконец, в Европе курс евро/доллар влияет на привлекательность биотоплива из семян конопли, поскольку нефть котируется в долларах, а биотопливо продается в евро. Следовательно, сильный евро по отношению к доллару снижает конкурентоспособность биотоплива.

Новые отрасли должны проложить путь к снижению эксплуатационных расходов, но, прежде чем стать конкурентоспособными, они должны следовать своей кривой промышленного обучения. Следовательно, в течение еще нескольких лет потребуется государственная политика стимулирования для поддержки внедрения биотоплива из семян конопли и поощрения промышленных игроков брать на себя инвестиционный риск.