Иметь развитую биоэнергетику
Модератором сессии «Биоэнергетика будущего» выступил вице-президент НИЦ «Курчатовский институт» по биоэкономике Раиф Василов, глава общества биотехнологов России. Он отметил, что именно биоэнергетика является глобальным драйвером развития биоэкономики в мире. Наша страна обладает крупнейшими ресурсами биомассы и, следовательно, должна иметь мощную, развитую биоэнергетику. Но что такое биоэнергетика? Согласно федеральному закону, её определение сужено до получения электрической энергии из биомассы. Однако в широком смысле биоэнергетика охватывает всю энергию, получаемую из биомассы: тепловую и электрическую энергию, моторное топливо, биотопливо и так далее. Именно в этом, широком значении и предложено рассматривать её на сессии.
Второй момент фундаментален: вся жизнь на Земле и вся энергия для неё происходят от Солнца. Солнце преобразует свою энергию, соединяя углекислый газ и воду в биомассу. Этот процесс – фотосинтез – за миллиарды лет эволюции стал одним из совершеннейших природных механизмов. Можно сказать, что образующаяся биомасса представляет собой законсервированную солнечную энергию. Задача биоэнергетики заключается в том, чтобы расконсервировать эту энергию, заключённую в биомассе, и преобразовать её в необходимые для человечества формы. Этим она и занимается: разрабатывает технологии и подходы для высвобождения этой энергии. Это биоэнергетика сегодняшнего дня. Биоэнергетика будущего пойдёт дальше: она исключает промежуточное звено – биомассу – и говорит о прямом преобразовании солнечной энергии в нужные человеку формы с помощью природоподобных технологий. Докладчик использовал термин «биотопливно-энергетический комплекс» и привёл некоторые цифры, характеризующие его текущее состояние в России.
- Теплоснабжение: Использование биотоплива в системе централизованного теплоснабжения (данные РЭА за 2023 год) оценивается условно в 2,5 млн тонн. Потенциал же огромен – даже 10% от него было бы значимым достижением.
- Электрогенерация: Установленная мощность биоэнергогенерации по самым оптимистичным оценкам составляет 1–1,5 ГВт, а на деле – меньше. На фоне общей мощности российской электроэнергетики в 250 ГВт этот объём крайне мал, хотя потенциал для роста тоже огромен.
- Биогаз: Объём биогаза, который можно производить путём переработки отходов, превышает 60 млрд кубометров в год. Это также путь к газификации сельской местности. Сегодня же мы производим менее миллиарда кубометров.
- Моторное биотопливо: Именно оно является основным драйвером мировой биоэкономики – речь о биоэтаноле, биодизеле и других видах. В России же эта отрасль существует лишь на уровне пилотных проектов, и полноценной индустрии пока нет.
Очевидно, что развитие биотопливно-энергетического комплекса не просто возможно, но и абсолютно необходимо по нескольким ключевым направлениям. Первое – освоение отдалённых и труднодоступных территорий. Фотосинтез происходит везде, где есть солнце, а значит, биомасса как энергетический ресурс доступна на любом участке нашей огромной страны. Во многих случаях её использование может стать наиболее эффективным способом энергообеспечения. Второе – экономика замкнутого цикла. Речь о встраивании энергетических технологий в существующие производственные цепочки. Биомасса – это не только источник энергии, но и пищи, материалов (например, в деревообработке). Остаётся множество отходов, которые сегодня представляют собой экологическую проблему и зачастую просто сжигаются. На самом деле это ценное сырьё для получения энергии. Его использование улучшает экономику производств, решает экологические проблемы и создаёт социальные выгоды.
Наконец, третье и центральное для дискуссии направление – преобразование энергии биомассы. Если солнечная энергия через фотосинтез преобразуется в биомассу, то задача – максимально эффективно и рационально преобразовать эту биомассу обратно в энергию. Первый этап – превращение биомассы в разные виды биотоплива. Следующий – преобразование этого биотоплива в конечную полезную энергию: тепловую, механическую, электрическую. Модератор призвал сосредоточиться на второй части этого процесса – технологиях преобразования различных видов биомассы.
Искусственный фотосинтез
Член-корреспондент РАН Сулейман Аллахвердиев, лауреат премии «Глобальная энергия» , рассказал о технологии искусственного фотосинтеза, которая может кардинально изменить энергетическую карту в будущем. По его словам, традиционные источники энергии обладают существенными недостатками. Это и негативное воздействие на окружающую среду, и ограниченность их запасов. Из-за загрязнения планеты ежегодный мировой ущерб составляет колоссальную сумму – около 8 триллионов долларов. В поисках решения активно развивается водородная энергетика. Существует множество методов получения водорода, один из которых – расщепление воды. Вода расщепляется на водород и кислород, а при последующем использовании водорода снова образуется вода. Это замкнутый, чистый цикл. Например, при пробеге автомобиля на 100 км образуется всего около 50-100 миллилитров воды – и никаких выбросов CO₂.
Наиболее перспективным методом считается электролиз – тот же процесс расщепления воды под действием электрического тока. Однако у этого подхода есть фундаментальный минус: он требует затрат энергии. Мы тратим энергию, чтобы получить энергию, что неизбежно приводит к потерям и не даёт стопроцентной эффективности. Но природа уже давно нашла изящное решение – процесс фотосинтеза. Растения и микроорганизмы, поглощая солнечный свет, расщепляют воду, выделяя кислород, которым мы дышим, и накапливая протоны. Более того, некоторые организмы способны напрямую производить водород. Ещё в 1984 году нам удалось показать существование в растениях так называемого фотосинтетического аппарата – фотосистем. В фотосистеме II ключевую роль играет каталитический центр из четырёх атомов марганца (марганцевый кластер), который и отвечает за расщепление воды.
Таким образом, наша цель – имитировать природный фотосинтез, создав катализаторы, которые под действием солнечного света будут расщеплять воду на молекулярный кислород и водород. Эта тема сегодня развивается невероятно интенсивно. Только за последние пять лет в мировых научных базах опубликовано около 75 тысяч статей по расщеплению воды и примерно 45-50 тысяч – по искусственному фотосинтезу, то есть получению водорода этим методом. Группа российских учёных работает в этом направлении уже 10-15 лет совместно с коллегами из Японии, Ирана, Пакистана и других стран. Нам удалось синтезировать около 100 новых катализаторов и опубликовать порядка 120 статей по этой теме. Разработана простая, но фундаментальная концепция искусственной фотосинтетической системы. Для её работы необходимы три ключевых компонента: фотосенсибилизатор, поглощающий солнечный свет; окислительный катализатор для расщепления воды; и восстановительный катализатор для производства водорода из протонов. Докладчик, как и всё научное сообщество, работающее в этой области, уверен: в ближайшем будущем искусственный фотосинтез станет реальной природоподобной технологией. В завершение он привёл две пророческие цитаты.
Ещё 150 лет назад Жюль Верн писал: «Я верю, что наступит время, когда воду будут использовать как топливо, что водород и кислород составят неисчерпаемый источник тепла и света». Сегодня мы вплотную подошли к осуществлению этой мечты: мы расщепляем воду, получаем водород, а при его использовании снова получаем воду. А в 1949 году в Москве нобелевский лауреат Фредерик Жолио-Кюри заявил: «Хотя я верю в будущее атомной энергии, я считаю, что настоящий переворот в энергетике наступит только тогда, когда мы сможем…» – и указал на процесс, подобный работе хлорофилла. Именно молекула хлорофилла поглощает свет в растениях, запуская фотосинтез. Докладчик выразил уверенность, что в ближайшие годы искусственный фотосинтез станет работающей технологией. В лабораторных условиях уже получают водород с помощью искусственных систем, моделируют природные фотосистемы, и есть катализаторы, которые ждут своего часа. Следующий шаг – переход от лабораторных образцов к технологическим решениям. При должной интенсивности работы максимум через 10 лет можно будет выйти на практическое применение, – считает докладчик.
Катализаторы для биоэнергетики
Ученый секретарь Института катализа им. Г. К. Борескова Сибирского отделения Российской академии наук Юрий Дубинин напомнил, что в преобразовании биомассы в полезные продукты, будь то биотопливо или ценные компоненты для биоэнергетики, большинство химических процессов, лежащих в основе этих технологий, связано с применением тех или иных катализаторов. Здесь докладчик выделил несколько ключевых аспектов. Во-первых, это значительные и, что важно, возобновляемые объёмы мирового производства. Во-вторых, это возможность переработки отходов, а значит, мы не ограничены требованием к высокому качеству сырья. В-третьих, это энергетические культуры, которые зачастую не нуждаются в плодородных сельскохозяйственных землях и не требуют, например, генного редактирования или иных сложных вмешательств. Таким образом, для культур, используемых в производстве биотоплива, допустимы гораздо более мягкие ограничения по сравнению с теми, что выращиваются для пищевых целей.
Нельзя обойти и экологический аспект – сегодня он является неотъемлемой частью любой вновь создаваемой технологии. Речь идёт о декарбонизации, сокращении углеродного следа, работе со сточными водами, дымовыми газами и так далее. Разрабатывая новые решения, мы обязаны минимизировать воздействие на окружающую среду, и работа с биомассой позволяет делать это буквально с первых шагов. Если же к этому добавляются каталитические технологии – то есть применение катализаторов в различных процессах, – мы получаем возможность производить ключевые компоненты биоэнергетики: биотопливо, водород, ценные химические продукты и даже энергию в прямой форме.
В Институте катализа разработана дорожная карта, она отражает направления, на которых необходимо сосредоточиться в области квалифицированной каталитической переработки биомассы. Прежде всего, это прямое превращение, когда биомасса без сложных промежуточных стадий преобразуется в ценные продукты: например, в биоудобрения или почвенные мелиоранты, либо в химические материалы, такие как муравьиная кислота, которая в дальнейшем может служить источником водорода. Другими ключевыми и значимыми направлениями являются переработка полупродуктов – растительных масел, гемицеллюлозы и лигноцеллюлозы. В каждом из этих направлений одним из важных подпунктов является получение биотоплива или их компонентов, включая моторное и авиационное топливо, различные присадки и добавки.
Кроме того, это производство так называемых строительных блоков – базовых компонентов для органического синтеза, которые служат основой для создания более сложных и ценных химических продуктов. И, наконец, прямое получение энергии: когда биомасса или её отходы преобразуются либо в высококалорийный газ (биометан), либо напрямую сжигаются для генерации тепловой и электрической энергии. Это также актуально, поскольку даже сжигание биомассы является практически углеродно-нейтральным процессом, что делает такие технологии экологически значимыми.
Важно отметить, что реализация этих направлений – это всегда сплав науки, образования, промышленности и государственного управления. Но для того, чтобы катализаторы, используемые в таких процессах, не оставались лишь лабораторными образцами, а как можно быстрее внедрялись в промышленность, необходима инфраструктура полного цикла. Начинается всё с научных исследований, ключевыми центрами которых являются Национальный центр исследования катализаторов на базе Института катализа и центр СКИФ. Далее следует инжиниринг и масштабирование – критический этап, который в предыдущие годы был несколько упущен. Для его реализации создан инжиниринговый центр при поддержке Минпромторга, и сегодня идет работа над проектом центра по масштабированию производства катализаторов, включая биокатализаторы. Следующая ступень – выход на промышленное производство, для чего институт располагает Волгоградским филиалом, по сути, пилотным заводом тонкого органического синтеза.
Чтобы всё это получило правовое оформление, в прошлом году Институтом катализа была инициирована Ассоциация производителей катализаторов. Она объединяет разработчиков и производителей каталитических технологий Российской Федерации с целью упростить подчас чрезвычайно сложное взаимодействие с органами власти, консолидировать производителей, разработчиков, поставщиков сырья и потребителей катализаторов. Это необходимо для защиты их интересов и, конечно, для ускоренного развития отечественной катализаторной отрасли, достижения ею технологического суверенитета, лидерства и независимости от импорта.
По единой программе
Директор исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов, Томского политехнического университета Дмитрий Глушков как представитель высшего учебного заведения заверил, что в последние годы прикладная и фундаментальная наука получает значительное финансирование. Однако отсутствие единой программы развития привело к тому, что эти проекты реализовывались разрозненно, различными организациями. Томский политех участвует в ключевых программах, занимая разные статусы – от ведущего до исполнителя. Основные направления и фонды включают, прежде всего, «Приоритет-2030», гранты Российского научного фонда, разнообразные конкурсы – от проектов на полтора миллиона до крупных лабораторий. Это также научный центр мирового уровня, научно-технологические инициативы и, конечно, мегагранты. Задачи возникают не на пустом месте – это результат взаимодействия с образовательными и академическими организациями, а также с индустриальными партнерами. В числе партнеров – промышленные и коммерческие компании, регионы России, страны СНГ и Азии.
При этом у потенциальных заказчиков и потребителей технологии – весьма специфические требования. Если говорить о биоэкономике в целом, универсального решения для практического внедрения не существует. Каждый регион обладает уникальным ресурсом, уникальным сырьем – будь то биомасса или отходы, которые можно вовлечь в топливно-энергетический цикл. Поэтому для каждого случая требуется индивидуальная разработка, и чаще всего это длительный процесс. Разработчики столкнулись с ситуацией, когда многие заказчики, готовые развивать биоэнергетику, в текущих условиях не могут финансировать реализацию инноваций и не готовы ждать. Им нужно готовое решение здесь и сейчас. Это создает сложности в налаживании связей, но мы находим компромиссы. В университете мы устойчиво развиваем концепцию «трансферной лаборатории». В Советском Союзе был эффективный механизм трансфера технологий, взаимодействия науки и индустрии. В последние годы он был утрачен, и сейчас на базе Политехнического университета организуются коллаборации химиков, энергетиков, теплофизиков, экологов, а также гуманитарные направления, которые помогают оценить экономическую эффективность. Такие лаборатории аккумулируют материальную базу и человеческие ресурсы. Они позволяют сокращать сроки исследований: фактически полный цикл работ можно выполнить на одной площадке в сжатые сроки.
Конкретно в проектах университета выделяются два направления. Стоят задачи по наращивании технологических цепочек. Первое направление – развитие жидких биотоплив: устойчивые авиационные топлива, биобензины, биодизели. Для их производства используется сырье растительного происхождения, композиционные смеси биоотходов или отходов нефтяной промышленности. Конечная цель – получение коммерческих топлив. Но это комплексный процесс, который невозможно решить силами одной организации, поэтому здесь ведется активное взаимодействие с академическими институтами и другими вузами. Второе направление в биоэнергетике связано преимущественно с утилизацией уже накопленных отходов, которые ежегодно образуются в России в огромных объемах. Первостепенная задача – их промышленная утилизация с полезной выработкой тепловой и электрической энергии. Объемы колоссальны: эти отходы складируются на открытых полигонах, представляя опасность – прежде всего, из-за процессов термического преобразования и выделения парниковых газов. Ключевая задача – вовлечение таких отходов в топливно-энергетический цикл. Сегодня невозможно реализовать такие комплексные проекты без математического моделирования и искусственного интеллекта. Поэтому целью в рамках различных проектов является создание интеллектуальной системы, которая позволит, исходя из существующих ограничений и доступного сырья. Преимущества отраслевой лаборатории, помимо организации полного цикла исследований и разработок, позволяют готовить специалистов разных уровней – от кадров высшей квалификации до инженеров для формирующейся отрасли. В завершение докладчик согласился с одним из тезисов вчерашнего выступления Президента: для развития биоэкономики и биоэнергетики, необходимо создать соответствующую структуру управления.
Синтез-газ
О работе в Институте высоких температур РАН рассказал Владимир Лавренов, сотрудник лаборатории распределённой генерации, в которой ученые занимаюмся термической переработкой разнообразных видов биомассы – как в твердое квалифицированное топливо, так и в синтез-газ. Основное направление работы – получение синтез-газа высочайшего качества, то есть очень чистого с максимальным содержанием водорода и СО и минимальным – всех прочих компонентов. Этот газ может использоваться для генерации электроэнергии или для получения жидких химических продуктов с высокой добавленной стоимостью, прежде всего – биотоплива. Проведена масштабная исследовательская работа: синтез-газ получен из широкого ряда биообразцов, различных видов биомассы. Сейчас технологию укрупняют от лабораторных образцов к пилотным установкам. Первоначально учёным помогали Минобрнауки России и РФФИ. Сегодня основным спонсором является ПАО «Татнефть». Компания активно заинтересована в доведении технологии до промышленного уровня, её масштабировании и тиражировании, включая применение на удалённых поселениях и биопоселках. Эта концепция развития удалённых территорий сейчас находится в фокусе внимания Правительства. Из последних достижений – пилотная установка получения синтез-газа при атмосферном давлении производительностью около 100 кубометров в час, а также модуль конверсии этого газа в жидкие топлива. Кроме того, учёные разрабатывают перспективный процесс получения синтез-газа под высоким давлением и в течение одного-двух месяцев завершат ещё одну пилотную установку для испытаний. Она позволит получать сжатый синтез-газ, что существенно повысит общую эффективность процесса, поскольку каталитический синтез требует газа под давлением. Такая установка также открывает путь к легкому масштабированию и достижению действительно впечатляющих показателей производительности.
Синтез моторного топлива
Михаил Ершова, профессор Губкинского университета, обратил внимание на тему моторных топлив для транспорта. Хотя в университете, идёт работа в первую очередь с нефтяными компаниями и нефтепереработкой, он представил доклад об этой индустрии на основе биотоплива. В нашей стране у этой отрасли большое будущее, и, вполне возможно, она ярко проявит себя уже в ближайшие годы. Если говорить именно о моторных биотопливах, то в мире это уже состоявшаяся отрасль с объёмом производства около 150 миллионов тонн. Это примерно 6% от всего топлива, которым заправляются наши автомобили, самолёты и суда. Цифра в 150 миллионов тонн – это, для понимания, совокупный объём производства всех топлив в нашей стране, одном из лидеров нефтепереработки: бензина, дизеля, керосина, судового топлива. А лидером здесь являются Соединённые Штаты Америки. Они запустили масштабную программу по биотопливу три десятилетия назад, осознав ключевую причину для её развития: невероятную поддержку сельского хозяйства. Биотопливо позволило не сокращать площади и рабочие места в условиях развития технологий, а сохранить и даже усилить позиции на экспортных рынках. Помимо Штатов, это направление активно развивают и другие страны, включая государства БРИКС.
Если говорить о современном рынке биотоплива, то по сути он состоит из четырёх основных продуктов. Главный из них – биоэтанол, то есть этиловый спирт специального качества для добавления в бензин. Затем – биодизель в двух вариантах: более дешёвый эфирного типа и более дорогой углеводородного, но оба производятся из растительных масел и жиров. Биоэтанол же производят из сахаросодержащего или крахмалистого сырья: пшеницы, кукурузы, сахарного тростника. Четвёртый продукт – биокеросин, это зарождающаяся, но очень горячая сегодня ниша. Российская Федерация, к сожалению, пока занимает на этом рынке ровно ноль процентов. Хотя потенциал нашей страны огромен. Мы экспортно ориентированы по основным видам сырья для биотоплив, и экспорт растёт. Но потенциал не только в этом.
Тема биокеросина «горящая», потому что Россия в этом сегменте зависима от международной регуляторики – авиация регулируется практически на уровне агентства ООН. Если правила сдвинутся в сторону обязательного применения биокомпонентов, нужно быть готовыми. Нефтяные компании активно работают, чтобы избежать дорогой зависимости от поставок, например, из Китая. Разница в цене между обычным керосином и биокеросином пока огромна. Никакое налоговое регулирование, включая снятие акцизов (они показаны красной частью столбиков), это не компенсирует. Пока нужны прямые меры поддержки. Идеология в мире сейчас – научиться производить такой керосин уже сейчас. Поэтому по биокеросину критически важна поддержка государства, в первую очередь от Министерства транспорта и Минэнерго, чтобы инициативы компаний не остановились.
Ещё одно направление, неочевидное для потребителей, – судовое топливо. Здесь экономические успехи неплохи: разница в ценах между судовым топливом и некоторыми биокомпонентами даже в пользу последних. Это направление развивается тихо, фоном.
Что касается моторных топлив, то по дизелю и биокомпонентам ценовой разрыв меньше с перспективными биоуглеводородами, больше с эфирными. Но для нашей страны на текущем этапе перспективы неочевидны. У нас сильно профицитный рынок дизельного топлива высочайшего качества. Половину из производимых 90 миллионов тонн мы экспортируем. Бизнес не очень заинтересован в дополнительных внутренних компонентах. До 2022 года ряд компаний планировал строительство биодизельных заводов, но сейчас это направление приостановлено.
И последнее, бензиновый компонент, биоэтанол. Сейчас сложились уникальные условия, и наши органы государственной власти, в первую очередь Министерство сельского хозяйства, должны внимательно изучить эту возможность. Сейчас можно создать огромную новую площадку для развития сельского хозяйства на десятилетия вперёд. Технологии производства биоэтанола в России есть. Детально проработан проект по организации производства низкоуглеродного этанольного топлива в южных регионах, который позволил бы дать стране порядка 2 миллионов тонн бензинового компонента без существенных инвестиций. Это может стать для России новой «криптовалютой» в сфере биотоплива, особенно в части биоэтанола.
Государство уже много делает в рамках низкоуглеродного развития. Принят закон об ограничении выбросов парниковых газов, создано понятие климатических проектов. Умные нефтяные компании используют это, улучшая свои заводы, снижая выбросы, регистрируя проекты и получая углеродные единицы – новую ценность, которая через несколько лет будет стоить больших денег. Мы тоже в этом участвуем и призываем к совместной работе. Докладчик призвал аудиторию на специализированный топливный форум, где детально рассматриваются вопросы моторных топлив, и указал на ряд изданий, включая Топливный дайджест и журнал «Нефтепереработка и нефтехимия», которые профессионально занимаются мониторингом технологий в этой сфере.
Национальное достояние
Генеральный директор ООО «Газпром ВНИИГАЗ» Максим Недзвецкий рассказал о том, что газовая наука и «Газпром» активно развивают биотехнологии, хотя основной ресурс компании – природный газ. Мы часто используем это словосочетание, но на форуме биотехнологий «природный» звучит особенно значимо, и на этом был сделан отдельный акцент. В структуре добываемого газа основную часть занимает метан. Это действительно стратегическое сырье, ключевый энергоноситель. Его исследуют и как парниковый газ. Однако важно подчеркнуть его естественную роль в природных процессах: метан постоянно образуется в почвах, болотах, донных отложениях. Он – неотъемлемая часть природного цикла, и вместе с водой и аммиаком фактически составляет основу органической жизни на нашей планете. Из метана получают широкую линейку продуктов, включая водород. Газпром обладает эффективными технологиями его получения. Но докладчик сосредоточился на природоподобной технологии – биоконверсии метана. За счет этого продукт хорошо усваивается и может заменять традиционные белковые корма с широким спектром применения: в аквакультуре, животноводстве, птицеводстве и других областях. Возможна и дальнейшая глубокая переработка – получение витамина В12, нуклеиновых кислот, что открывает новые горизонты в биотехнологиях, медицине и других сферах. Это очень серьёзное и перспективное направление.
«Газпром ВНИИГАЗ» прорабатывает и ряд других практических решений. Например, одно из направлений в области природоподобных технологий – биопрепараты для очистных сооружений. Они повышают эффективность работы активного ила и улучшают качество очистки стоков, особенно там, где существующие системы уже требуют модернизации. Ещё одно важное направление – биодеструкция углеводородных загрязнений. Такие решения не просто ликвидируют последствия разливов, но и снижают объём образующихся отходов. Также развивается микробиологическое производство ксантана (ксантановой камеди) для буровых растворов. Исследуется биомодификация строительных материалов. Биопрепараты на основе уробактерий улучшают свойства бетона, обеспечивая самостоятельное затягивание возникающих трещин. Такая технология существенно продлевает срок службы конструкций и снижает эксплуатационные затраты, особенно в суровых климатических условиях, что крайне важно для нашей страны. Биотехнологии способны решать глобальные задачи адаптации к изменению климата и восстановления экосистем. В рамках естественных климатических циклов сегодня наблюдается деградация многолетней мерзлоты, увеличиваются природные выбросы метана из почв, снижается устойчивость грунтов, меняется растительность. Ответ этим изменениям – научный поиск и технологические инновации, гармонично встроенные в природные процессы.
Анаэробная переработка
Генеральный директор ООО «СельхозБиоГаз» Марина Фалевская рассказала о производстве биометана из природного сырья методом анаэробного сбраживания. Биогаз – это краеугольный камень не только биоэнергетики, но и всей биоэкономики, основанной на природоподобных технологиях, таких как синтетическая биология. Биоэкономика применяет все возобновляемые источники энергии: солнце, ветер, воду, биомассу. Именно биомасса, аккумулировавшая солнечную энергию, может быть преобразована разными способами. Анаэробное сбраживание – один из самых эффективных, позволяющий раскрыть весь потенциал этой биомассы. Для этого работают метаногенные анаэробные микроорганизмы.
Ключевое экологическое преимущество технологии в том, что, перерабатывая биомассу и отходы, мы существенно сокращаем их объем, а также выбросы метана и углекислого газа. На выходе же получаем органическое удобрение. Докладчик подчеркнула, что анаэробное сбраживание – весомый элемент экономики замкнутого цикла. Это не только энергетика, но и несколько ценных конечных продуктов. Поэтому биогазовая установка – это, во-первых, окупаемая технология переработки отходов. Мы не просто строим очистные сооружения с постоянными затратами, а, перерабатывая отходы, создаем несколько продуктов одновременно. Процесс, будучи запущенным, требует не так много дополнительных усилий: каждую секунду выделяется биогаз и производится удобрение. Биогаз можно использовать для получения тепла, электроэнергии или, удалив CO2, в качестве чистого биометана.
Перспективы широки: от биогаза можно получать, например, водород – всё зависит от его объемов. Второй продукт – эффлюент, органическое удобрение, которое можно углубить в переработке, получая различные удобрения и микробиологические препараты. Важно понимать: биогазовая установка – не просто биореактор, поставленный где попало. Это всегда комплексный подход, часть технологической цепочки действующего предприятия. Сначала мы изучаем объект, анализируем его полностью, выявляем проблемы, которые можно решить с помощью биогазовой технологии, проектируем и подбираем оборудование. Что критически важно – для каждого вида или смеси сырья мы выращиваем уникальную ассоциацию микроорганизмов. Она включает аборигенные метаногены из самого сырья, дополненные штаммами из депозитария для стабилизации процесса и гарантированного выхода биогаза. Не будет так, что сегодня получили кубометр, а завтра – сто. Процесс должен быть стабильным и предсказуемым. Мы также просчитываем все возможные риски, ведь для равномерной выработки биогаза, в отличие от метана из скважины, необходимо учесть множество факторов.
Оборудование компании применимо в самых разных отраслях – везде, где есть органические отходы или биомасса: сельское хозяйство, пищевая промышленность, очистные сооружения. Сейчас идёт тема фильтрата полигонов ТКО – концентрированного стока, который также становится сырьем для получения биогаза и снижения класса его опасности. Таким образом, биогазовый комплекс, решая массу проблем, становится органичной частью биоэкопоселения. Это не обязательно деревня; может быть крупный населенный пункт или даже внутренняя структура большого предприятия с разными производственными цепочками.
Начали эту работу в 2011 году. На сегодня реализовано 14 биогазовых комплексов в 7 регионах России на 6 видах сырья. Основная единица – биореактор горизонтального типа, металлический (черный металл или нержавейка) или бетонный. Вот примеры: переработка отходов на мясокомбинате, сельхозпредприятие-племзавод, а также объект с большим объемом переработки, где получают не только биогаз и эффлюент, но и электрическую энергию. Еще один интересный проект – переработка целлюлозы в Перми. Но за 15 лет работы 14 комплексов – результат, который недостаточен. Продвижение биогазового оборудования сталкивается с массой препятствий: энергетических, геополитических, иных. Поэтому в компании сделали шаг вперед, предлагая еще более комплексное решение, где биогазовое оборудование – часть завода органических удобрений. Такой завод становится интеграционным хабом для региона: несколько биогазовых установок, больших и малых, поставляют на него эфлюент, где из него производят жидкие, густые, сухие гранулированные органические удобрения, а также микробиологические препараты. Рядом может располагаться теплица, использующая и удобрения, и биогаз. Эта модель идеально интегрируется в любой аграрный регион с использованием местных ресурсов и вписывается в нацпроекты «Биоэкономика», «Экономика замкнутого цикла» и «Экологическое благополучие». Создание сети таких заводов позволит построить замкнутую биоэкономическую сеть, а не разрозненные объекты. Такая сеть даст энергию, создаст рабочие места и, что крайне важно сегодня, восстановит плодородие почв.
Зарубежный опыт
Директор исследовательского центра устойчивой энергетики и энергетических систем университета Шарджи (ОАЭ) Абдул Гани Олаби рассказал о работе группы исследователей, которая занимается устойчивой энергетикой. Деятельность группы сосредоточена на преобразовании биомассы в энергию. Используя анаэробные организмы, группа осуществляет сбраживание, результатом которого становится не только биоэнергия, но и удобрения. Первым этапом является механическая обработка материала. Для этого разработали и внедрили специальные устройства – изобретение нашего центра, которое значительно упрощает процесс. Предварительная механическая обработка повышает выход биогаза на 20–25%. Это важное достижение. То же принцип механической подготовки применяется и в производстве биодизеля, где также увеличивается выход полезного продукта примерно на 20–25%. Анаэробное сбраживание является частью замкнутого цикла: производить энергию и удобрения удаётся одновременно.
Важная часть работы посвящена производству зеленого водорода, преимущественно через электролиз. В условиях ОАЭ возникает сложность с пресной водой, поэтому необходимо опреснять морская воду. Ученые создали новый материал для электролизера. Он достаточно дорогой, и стоимость зеленого водорода пока высока, но применение катализатора дает очень хорошие результаты. Для обеспечения стабильности материала требуется дополнительная работа, однако мы ожидаем весьма перспективных результатов. Также используется термомеханическая технология производства зеленого водорода из воды, сочетая высокую температуру с катализатором. Кроме того, зеленый водород производят на основе материалов, предоставляемых алюминиевой промышленностью – используя шлаки и отходы. В Объединенных Арабских Эмиратах есть крупная алюминиевая компания, и объём таких отходов значительный.
Также в ОАЭ установили большое количество солнечных батарей. Создавать эти солнечные парки начали около 20–25 лет назад, и теперь пришло время замены панелей. Есть публикации, посвящённые этой теме. Используя новые панели, можно максимизировать использование солнечной энергии. Это позволит организовать экономику замкнутого цикла, улучшить ситуацию и – благодаря другим исследованиям – заменять выходящие из строя солнечные батареи без нарушения этого цикла.
Опилки и семечки
Исполнительный директор Ассоциации по охране окружающей среды «Охрана природы» Владимир Чупров рассказал, что организация обладает значительным практическим опытом в вопросах, вынесенных в повестку сессии. В рамках заявленной темы докладчик сосредоточился на экологическом и социальном эффекте биоэнергетики, рассказав о проделанном исследовании. Для оценки приняли два ключевых фактора: сырьевую базу и коммерческую зрелость технологий. Во-первых, рассматривали только проекты, основанные на утилизации отходов: лесопромышленного и агропромышленного комплексов, коммунального хозяйства и пищевой промышленности. Во-вторых, учитывали исключительно коммерчески зрелые решения. Исходя из этого, получили следующие данные. Рассматривая три агрегатных состояния – твердое биотопливо, биогаз и жидкое биотопливо – получили оценку для твердого биотоплива. Речь в основном о древесном топливе: отходах лесозаготовки и деревообработки, а также о дровах для частных домохозяйств. Анализ показывает, что потенциал – без учета традиционных дров – может оцениваться перспективно в 2 миллиона тонн. Это, в первую очередь, производство пеллет и брикетов за счет утилизации опилок и отходов ЛПК, ликвидации тех самых свалок, которые отравляют ландшафт любого лесного поселка. В Республике Коми, откуда родом докладчик, это знакомая, больная проблема. Биоэнергетика предлагает ей конкретное решение, убирая эти серые, дымящие терриконы, отравляющие среду и создающие риски для жителей.
Что касается жидкого биотоплива, например, биокеросина, вопрос выходит за рамки экономики. Это вопрос политический, геополитический и дипломатический, инструмент для укрепления позиций страны на климатических переговорах в рамках ООН. Наш оцененный потенциал на основе отходов АПК – около 200 тысяч тонн условного топлива. Это то, что сегодня можно и нужно капитализировать, вместо того чтобы отправлять на те же свалки.
Биоэнергетика – это больше «энергетика» или «био»? Сверяясь с энергетическим потенциалом, докладчик согласен с ранее озвученными коллегами цифрами. Реализуемый сегодня потенциал, включая дрова, – это 9 миллионов тонн условного топлива. Без дров – около 1 миллиона. Перспективный же потенциал может составить до 15 миллионов тонн, или около 2% всей производимой в стране первичной энергии. Здесь важно не путать: есть вся первичная энергия и энергия, производимая именно в электроэнергетике, поэтому цифры могут разниться. Но оценки в целом коррелируют. Возможно, 2% покажутся величиной незначительной. Однако для сравнения: вся российская гидроэнергетика – это около 3-4% первичного энергобаланса. Атомная – 7-8%. Поэтому важно не рассматривать биоэнергетику как маргинальное направление. Это мощная, серьезная ниша, сопоставимая с отраслями, имеющими вековую историю. Общественная экологическая организация в первую очередь говорит о снижении поступлений загрязняющих веществ: дурнопахнущих соединений, серы, опасных фенолов второго класса опасности с тех же свалок и иловых карт. О грамотной утилизации фильтрата с полигонов через биоэнергетический цикл. О выполнении международных климатических обязательств. Социальный эффект – это развитие удаленных поселков, новые рабочие места, налоговые поступления, улучшение качества воздуха.
Экономический эффект – это не только надежное энергоснабжение и замещение дорогого привозного ископаемого топлива, ложащегося премией на региональные бюджеты. Это и капитализация небольших предприятий. Так, в Коми переход домохозяйств с дров и угля на брикеты реально повышает качество жизни на бытовом уровне. Пример в Воронежской области: фермерское хозяйство, утилизирующее лузгу подсолнечника. Только по России ее ежегодно образуется около 6 миллионов тонн – колоссальный, еще не до конца изученный ресурс. Такая деятельность не только укрепляет экономическую устойчивость компаний, но и открывает им доступ к банковскому финансированию.
Давайте работать вместе!
Председатель правления Технологической платформы «Биоэнергетика» Александр Смольков отметил, что на протяжении дискуссии неоднократно возникала мысль: существует множество перспективных разработок, реализованных проектов, а также значительный потенциал и планы на будущее. Однако для полной эффективности необходима консолидация усилий. Требуется единое видение, общая матрица, совместное движение, которое позволит избежать параллельных и разрозненных разработок, обеспечив взаимодополняемость в рамках сквозных технологических процессов. В этом контексте технологическая платформа «Биоэнергетика», созданная распоряжением Правительства в 2011 году и имеющая своим координатором Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт», была изначально предназначена для исполнения именно этой роли. Докладчик убеждён, что объединив усилия и разработав, создав и запустив федеральный проект по биоэнергетике, данная технологическая платформа полностью готова взять на себя функцию координатора – роль, которая была заложена в её фундамент при учреждении. Сегодня в состав платформы уже вовлечены более 120 научных организаций, университетов, промышленных предприятий и представителей бизнеса. Открывается множество интересных направлений. Например, одно из перспективных – муравьиная кислота. Платформа при поддержке Курчатовского института начала активные работы в этой области. Это исключительно интересная двухстадийная технология получения водорода из биотоплива. Её преимущество – низкотемпературный режим: процессы осуществляются при температурах около 150 градусов, что в четыре раза ниже классических температурных требований. Докладчик призвал всех, кто ещё не присоединился к деятельности ассоциации и технологической платформы – давайте работать вместе.
