Биоэтанол: обзор мирового и российского рынков

Биоэтанол

Таблица 1. Государственные программы применения биоэтанола в 
разных странах мира

Биоэтанол, который получают путем ферментации из сельскохозяйственной продукции, содержащей крахмал или сахар, например, из зерна, сахарного тростника, кукурузы, картофеля, сахарной свеклы, мелассы, сорго и другого, имеет всем известную из школьных уроков химическую формулу спирта С2Н5ОН. Такой биоэтанол относится к биотопливу первого поколения. Технология производства биоэтанола из крахмалосодержащего сырья (зерна, картофеля) заключается в подготовке сырья путем измельчения и водно-термической обработке, осахаривании под действием специальных ферментов, сбраживании, перегонке на ректификационных колоннах и обезвоживании. При получении биоэтанола из сахаросодержащего сырья (сахарного тростника, свеклы и др.) на первой стадии происходит экстракция сахара с помощью воды. Среди всех видов жидкого биотоплива биоэтанол является самым распространенным, мировой объем его производства составляет более 70 млн т с тенденцией ежегодного увеличения не менее чем на 5%. Биоэтанол используется в основном как эффективный высокооктановый компонент разных моторных топлив. Например, на сегодня в США около 30% всего бензина вырабатывают с добавлением биоэтанола. Несмотря на то, что по энергетической плотности биоэтанол значительно уступает бензину (теплота сгорания биоэтанола 19,6 МДж/л, а бензина — 32 МДж/л), замена бензина биоэтанолом приводит к пропорциональному снижению выброса парникового газа (СО2) в атмосферу. кроме того, даже небольшое содержание биоэтанола в бензине обеспечивает значительное снижение токсичности выхлопных газов, так как присутствующий в биоэтаноле кислород обеспечивает полное сгорание смеси (при сжигании биоэтанола получаются лишь два продукта: углекислый газ и вода, в то время как в выхлопе бензина присутствуют сернистый газ и иные примеси).

Рост мирового производства биоэтанола с 2000 года превысил 400%. Ряд государств реализуют национальные программы его производства, в соответствии с которыми все изготовители биоэтанола получают субсидии и налоговые льготы. Например, Бразилия, которая вместе с США вырабатывает более 80% общемирового объема биоэтанола, благодаря государственной программе развития биоэнергетики стала мировым лидером в использовании биоэтанола в качестве моторного топлива (на третье место, после Бразилии и США, по объемам производства биоэтанола вышла Китайская Народная Республика). Выход биоэтанола при переработке разного сырья составляет в среднем на 1 га посевной площади: ячменя — 1500 л, пшеницы — до 2760 л, кукурузы — 3800 л, из сахарной свеклы — 6240 л, сахарного тростника — 7500 л. Сегодня большая часть топливного этанола производится из зерна пищевого назначения, что породило дефицит и значительный рост цен на него на мировом рынке. В связи с этим во многих странах ведутся работы, направленные на внедрение инновационных технологий производства биоэтанола второго поколения с использованием непищевых сырьевых ресурсов, прежде всего древесины, соломы и малоценных аграрных культур.

Традиционная технология осахаривания при переработке картофеля, зерна и подобного сырья в биоэтанол неприемлема в случае целлюлозосодержащей древесины, для переработки которой требуются совсем другие ферменты (лигнин, содержащийся в древесине, оказывает ингибирующее действие на ферменты, осахаривающие целлюлозу). Содержание полисахаридов в древесине сопоставимо с их содержанием в зерне, но их цепочки соединены разными связями. Есть, правда, известная давно, особенно в СССР и России, технология гидролиза, позволяющая разрушить эти связи и ферментировать и ректифицировать полученные сахара по обычной схеме производства этанола. Химическая формула гидролизного спирта ничем не отличается от формулы биоэтанола, полученного из пищевого сырья. Небольшие отличия могут быть только за счет содержания некоторых примесей при плохой очистке. На базе технологий гидролиза растительной биомассы в СССР существовала развитая промышленность гидролизного этанола (более 40 гидролизных и биохимических заводов); в качестве сырья служили в основном отходы деревообработки и ЦБК. Этанол из опилок официально использовался в промышленности как технический спирт. Но сегодня в РФ на плаву остались лишь единицы гидролизных заводов, из которых самым эффективно работающим является Кировский биохимический завод.

Что касается производства биоэтанола путем ферментации в других странах на постсоветском пространстве, то единственный и уникальный на всей территории СНГ завод «Биохим» в Казахстане стоимостью более $100 млн сейчас простаивает. И хотя строился он специально в северной части Казахстана, на границе с Россией, и продумано было все — от инфраструктуры до логистики, по причине больших проблем со сбытом готовой продукции завод пришлось остановить. Теперь для реанимации производственного процесса и возобновления работы предприятия в полном объеме необходимы новые, весьма существенные инвестиции.

Существует три разных способа применения биоэтанола в качестве моторного топлива:

●  как добавка к бензину от 5 до 15% (Е5, Е10, Е15) для использования в обыкновенных бензиновых двигателях. Топливо, содержащее этанол, маркируется буквой Е и цифрой, которая обозначает процент содержания спирта. Например, E10 — это смесь, содержащая 10% биоэтанола и 90% бензина;

●  в виде смесей с содержанием этанола до 85% (Е20, Е30, Е85) для использования в автомобилях с двигателями с универсальным потреблением топлива. Чистое (100%) биоэтаноловое топливо в качестве моторного используется только в Бразилии. В других странах этанол смешивают с бензином в разных пропорциях. Например, в топливной смеси E85 85% биоэтанола и 15% бензина;

●  для синтеза этилтретбутилового эфира (ЕТБЕ) — высокооктанового компонента бензина, который имеет ряд преимуществ перед биоэтанолом. Производство ЕТБЕ получило широкое распространение в европейских странах, где более половины всего биоэтанола направляется на синтез ЕТБЕ.

У биоэтанола есть один существенный недостаток: при низких температурах двигатель, работающий на 100%-ном биоэтаноле, трудно запускается. Проблема решается путем небольшой (около 5%) добавки бензина. Например, в Швеции городские автобусы Scania заправляют именно такой смесью.

В США распространено моторное топливо стандарта E10 (зимой Е15), в некоторых штатах используется E85. При этом, во-первых, E10 и E15 можно заливать в бак любой машины, работающей на бензине, а во-вторых, расход топлива почти не увеличивается, так как биоэтанол, в отличие от бензина, характеризуется пониженной энергетической плотностью и повышает октановое число смеси, за счет чего такая смесь сгорает с большей эффективностью.

Как уже отмечалось, биоэтанол из целлюлозы (древесины, соломы и т. п.) считается биоэтанолом второго поколения, для производства которого не требуется пищевое сырье. И для России с ее огромными запасами древесины и многолетним научно-технологическим, промышленным опытом и возможностями, позволяющими получать биоэтанол с помощью освоенных технологий гидролиза, вопрос его производства весьма актуален. Но сегодня, к сожалению, в РФ он не так перспективен, как в других странах, в основном в связи с высокими ставками акциза на этанол любого назначения. В России биоэтанол облагается такими же акцизными ставками, как спирт. По словам участников рынка, в России у биотоплива нереальная акцизная ставка — до 90% себестоимости его производства.

А вот в США, несмотря на развитое промышленное производство биоэтанола методом ферментации из зерна, кукурузы и картофеля, начали постепенно осваивать и новейшие гидролизные технологии.

В 2009 году был принят так называемый план Обамы, в соответствии с которым производство топливного биоэтанола к 2030 году должно достичь 170 млн т ежегодно, при этом для его изготовления должно стать основным не крахмалсодержащее (зерно, кукуруза), а целлюлозосодержащее (древесина) сырье, и объем производства биоэтанола из древесного сырья к 2030 году должен составить около 140 млн т.

За последние годы в области производства биоэтанола из целлюлозосодержащего сырья наблюдается значительный прогресс, это позволит перерабатывать в биоэтанол не только древесное сырье, но и кукурузные стебли и пшеничную солому, а не кукурузные и пшеничные зерна, как сейчас. Целый ряд НИИ в некоторых странах успешно работает в этом направлении, например Объединенный биоэнергетический институт (Joint BioEnergy Institute) в США, Российская академия наук и Сибирский федеральный университет в РФ.

Где производят

Первенство в производстве топлива принадлежит Бразилии. Используют для изготовления Е85 сахарный тростник, который растет в стране. Под сахарные плантации отданы огромные участки полей. Масштаб производства дешевого топлива настолько впечатляет, что на любой заправке можно найти как обычную марку бензина, так и Е85, Е20.

США производит этанол из кукурузы. Объем производства топлива значительно более скромный. В последнее время популярностью пользуется тенденция производства топлива путем переработки посевов сорго. Из растения получается так называемый целлюлозный биоэтанол.

Из чего изготавливают

Производить топливо можно из любого вида растений, поддающихся процессу брожения и окисления. Это может быть, как знаменитый сахарный тростник Бразилии, так и кукуруза, согро. Вырабатывать этанол проще из сельскохозяйственных культур с высоким содержанием крахмала. Например, таких как картофель, свекла, ячмень. Для производства подойдет целлюлоза — отходы после уборки урожая, солома, опилки древесных пород.

Плюсы и минусы использования Е85

К явным преимуществам использования биоэтанола в качестве топлива для автомобиля является:

• низкая стоимость по сравнению с неэтилированным бензином;
• уменьшения количества вредных выбросов в атмосферу;
• отсрочка наступления парникового эффекта, который провоцирует диоксид углерода.

Из выше перечисленного становится абсолютно ясно, что производство этанола и топлива из него, положительно влияет на уровень экологического благосостояния. Однако, есть и минусы. Во-первых, большинство современных автомобилей не имеют двигатель, пригодный для заправки Е85. Переоборудование обойдется в кругленькую сумму. Во-вторых, производство этилового спирта из овощных культур подразумевает распашку полей и оскудение почв.

Норма содержания спирта в бензине

Как уже говорилось ранее, продажа на автозаправочных станциях топлива с биоэтанолом (добавлением спирта) стала абсолютной нормой, как в странах Европы, так и в России. Даже в обычном бензине, согласно постановлениям 2014 года, регламентировано порядка пяти процентов спирта. Если человек собирается использовать подобное топливо, ему необходимо знать маркировку, показывающую процентное содержание бензина. Общемировая норма по продаже спиртосодержащего бензина регламентирует наличие на таре с таким топливом аббревиатуры «Е», от слова этанол. Рядом с ней обязательно указывается процент содержания спирта. Если на канистре красуется надпись Е5, содержания спирта в таком бензине будет равно пяти процентам.

Как влияет спирт на октановое число бензина?

Этанол является углеводородным соединением, которое имеет высокое октановое число. Именно поэтому этанольный спирт может применяться для добавления в бензин. При смешивании спирта и обычного бензина октановое число последнего повышается. Производители бензина, использующие стандарты Е10 повышают суммарное октановое число на 2-3% одним лишь смешиванием топлива с этанолом. Мощность двигателя повышается с уровнем повышения результирующего октанового числа. При добавлении спирта в бензин стоит помнить о том, что каждому автомобилю производителем рекомендовано использовать топливо с конкретным октановым числом. Если следовать этим указаниям, то можно продлить жизнь двигателя до максимума.

Какое влияние оказывает спиртовой бензин на двигатель и топливную систему?

Самой большой проблемой, связанной с использованием спиртового топлива, является его исключительно негативные показатели коррозийной активности. Этанол — мощный растворитель. Он деструктивным образом воздействует на резину и пластик, которые входят в состав топливной и двигательной систем.

Те счастливчики, транспортные средства которых все-таки позволяют использовать для заправки спиртовое топливо, получают ряд следующих преимуществ:

Автовладельцы, использующие смесь спирта и бензина, отмечают улучшение показателей работы двигателя — запуск его становится легче, а количество издаваемого при работе шума меньше.

Этанол дешевле бензина

Производство этанола не самое дешевое, но, поскольку он поступает из возобновляемых источников, по прогнозам, вскоре он станет дешевле, чем традиционное топливо. И, в зависимости от того, где производится этанол, затраты на импорт могут перестать быть ключевым фактором ценообразования. Транспортировка оптовых партий сокращает цену в пересчете на литр топлива, по сравнению с розничными продажами.

Этанол более экологичен?

Это зависит от того, как был произведен этанол и как он используется. Как правило, использование E85 приводит к меньшим выбросам, чем при использовании обычного топлива. Этанол также вытесняет бензол, который вызывает рак и является нетоксичным, водорастворимым и биоразлагаемым веществом. Так как этанол производится из растений, он квази-возобновляемый.

Что касается расчетов «жизненного цикла» считается, что целлюлозный этанол производит на 86% меньше парниковых газов. Парниковые газы — двуокиси углерода, метана, закись азот. Жизненный цикл рассчитывается с учетом того, как топливо производится, транспортируется и т. д. Исследование Калифорнийского университета в Беркли показало, что для производства этанола не требуется больше энергии, чем он может произвести. Этанол, полученный из кукурузы, имеет положительный «энергетический баланс», особенно если учесть, что другие ценные продукты, такие как кукурузное масло, являются побочными продуктами процесса его производства.

Этанол полезен для планеты?

Горение E85 все еще выделяет загрязняющие вещества и производит выбросы выхлопных газов. Топливо с содержанием этанола от 6% до 20% выделяет наибольшее количество выбросов. Рекомендуется использовать чистый бензин или более высокие концентрации этилового спирта.

Расчет выбросов в течение всего производственного цикла проблематичен. Часто не принимаются во внимание изменения в использовании земель. Например, преобразование лесных земель в пахотные, что ускоряет глобальное потепление. Производство этанола из кукурузы в значительной степени зависит от ископаемого топлива и удобрений. Однако до тех пор, пока сельскохозяйственные угодья не используются для выращивания целлюлозных материалов, целлюлозный этанол довольно экологичен — для его создания требуется меньше удобрений, а побочные продукты могут использоваться для производства горючего топлива.

Безопасно ли добавление спирта в бензин

Водители России давно ведут спор о том можно ли добавлять в бензин спирт, безопасно ли это и какие негативные последствия это может вызвать. Мнения разделились. Одни считают, что это способ сэкономить, а другие уверены, что это очень вредно для автомобиля. Давайте разбираться.

По факту в данном споре правы и те, и другие. Все зависит от ситуации. Давайте узнаем, когда добавление спирта вредит, а когда приносит определенную пользу.

В странах Западной Европы на заправочных станциях можно обнаружить топливо с обозначением АИ-95, Е5 или Е10. Подобная маркировка означает, что это по сути смесь бензина и этилового спирта. Причем приписка Е и говорит о том, каков процент спирта в данном виде топлива. Это уже говорит о том, что это топливо можно лить в бак автомобиля. Но чуть ниже всегда можно прочитать небольшое дополнение. Оказывается, такое топливо подходит не всем автомобилям, и чтобы быть уверенным в его безопасности, следует проконсультироваться со специалистами вашего дилерского центра.

То есть это топливо подходит не для всех автомобилей, а тем кому оно подходит получают определенные преимущества. Давайте разберемся какие именно?

Подобное топливо отличается своей экологичностью. При его сжигании в атмосферу выделяется меньше вредных примесей.

Стоимость такого топлива примерно на двадцать процентов ниже, чем чистого бензина.

Насчёт лучшей динамики работы мотора есть спорные моменты, одни автовладельцы отмечают большую шумность работы на смешанном топливе, другие явно ощущают, что мотор заводится легче.

Если смотреть в общем, то серьезных преимуществ смешенного топлива не наблюдается. В массе своей, люди используют это топливо только ради экономии. Бензин стоит не дёшево и естественно, что экономия в двадцать процентов со временем превращается в круглую сэкономленную сумму денег.

На территории России купить топливо с добавлением этилового спирта невозможно. Естественно, что умельцы изготавливают его самостоятельно. Увы, но приобрести этанол хорошего качества и в нужных количествах у нас довольно проблематично. Поэтому некоторые автовладельцы вместо этанола используют изопропиловый спирт. Его несложно приобрести в магазине химических реактивов или у оптовых компаний. Готовят такое топливо просто. Добавляют необходимое количество в канистру с бензином, а потом эту смесь заливают в бак автомобиля.

Сказать толком, что даёт такая смесь двигателю, сложно. Некоторые исследования утверждают, что выхлоп действительно становится более экологичным, но и существенного улучшения в работе мотора не наблюдается.

Последствия смешивания спирта и бензина.

Так что же всё-таки ждать от суррогатной смеси бензина и спирта, приготовленной в собственном гараже? Эффект от использования таких смесей носит скорее психологический характер и отчасти экономический. Люди подсознательно верят в пользу таких смесей и внушают сами себе определенные улучшения в работе мотора. Плюс это подкрепляется определенной экономией. Поэтому и существуют настоящие адепты подобного смешивания. Но ведь очевидно, что данные кустарные смеси имеют ощутимые недостатки, и о них не следует забывать. Если автолюбитель начнет применять десятипроцентную самодельную смесь, его могут ожидать следующие проблемы:

• Спирт сам по себе, способен вызывать появление конденсата и со временем этот конденсат может увеличиваясь скопиться в топливной системе автомобиля. В сильные морозы, он обязательно приведет к заморозке топливопроводов или вообще приведет к разрыву какого-то шланга.
• Многие части двигателя соприкасаясь со спиртом подвергаются более быстрой коррозии.
• Любые резиновые элементы топливной системы и двигателя автомобиля, например прокладки, приходят в негодность значительно быстрее нежели от воздействия чистого бензина.

Понятно, что использование такого смешанного топлива со временем приведет в лучшем случае к промывке системы подачи топлива или того хуже к очень дорогостоящему ремонту двигателя. Но тут надо сделать одну поправку. Все вышесказанное относится к автомобилям, которые предназначены для использования сугубо чистого бензина. В тех автомобилях в которые создавались для использования альтернативного топлива, эти проблемы были предусмотрены заранее. В таких автомобилях установлены материалы, которые не подвергаются вредному воздействию спирта.

В любом случае, перед тем как начать эксперименты со смешанным топливом, надо убедиться, что автомобиль конструктивно подходит для этого. И если это так, то в каких концентрациях допускается использовать такое топливо. Кстати если производитель запрещает использование смешанного топлива, то при его использовании сразу теряется гарантия на новый автомобиль.

Есть ли выгода спирта в бензине?

Если углубится в этот вопрос, то по факту можно прийти к следующим выводам:

• Реклама смешанного топлива в Европе обещает массу полезных улучшений в работе двигателя. По факту это не соответствует действительности. Тем более это работает не на всех автомобилях
• Задача этого топлива экономия углеводородов и защита экологии, а не улучшение работы двигателя.
• В целом имеется небольшая экономия на цене топлива, но при этом увеличивается расход, который может покрывать экономию.

Почему на сегодняшний день России не выгодно переходить на биоэтанол?

В России широкое использование этанола в качестве топлива проблематично по нескольким причинам. В первую очередь, наше законодательство ограничивает оборот этанола. Кроме того, этому спирту необходимо как-то предать «непитьевое» состояние. Безопасный процесс такого перевода уже разработан на основе реакции дегидратации — отщепления воды от молекул спиртов. При нужных условиях получаем смесь углеводородов, близкую по составу к бензину. Этот способ разработан в Институте общей и неорганической химии РАН под руководством члена-корреспондента РАН Александра Гехмана.

Даже с учетом наличия земель для выращивания кукурузы или иных растений, служащих для производства биотоплива, и небольших тратах на транспортировку, конечный продукт выходит дороже привычного бензина. Дело в акцизах, накладываемых государством на спиртосодержащую продукцию.

Печальные последствия добавления спирта в бензобак

В Интернете активно обсуждается тема про добавление спирта в бензобак. Предполагается, что эта технология позволяет выводить скопившуюся в емкости воду. Зимой она может замерзнуть и забить топливную систему, так как не смешивается с бензином. Добавление спирта обеспечивает выведение воды через систему сгорания вместе с обычным топливом. Но так ли все хорошо на самом деле?

Один из моих знакомых решил проверить этот «дедовский» способ на себе, и едва не угробил свой автомобиль. Он прочитал первую попавшуюся статью, где рассказывалось о подобном способе, но не углубился в тему подробнее. Автолюбитель взял обычный этиловый спирт и добавил его в бак «на глазок», не измерив даже правильные пропорции. Результат оказался печальным, он решил выкатать весь бак, и после того, как в нем осталось около 3-4 литров горючего, двигатель начал сильно троить, упала мощность. Пришлось вызывать эвакуатор и добираться до ближайшего СТО, где сняли бак и прочистили всю топливную систему. Обошлись работы в кругленькую сумму.

Для того, чтобы вывести воду из бензобака по такой технологии, нужно учитывать ряд нюансов. Этиловый спирт, хоть и смешивается с водой, но затем также быстро оседает на дно и остается в емкости. Именно с этим и столкнулся мой знакомый. По факту он выкатал весь бензин, после чего в двигатель начал поступать спирт с размешанной в нем водой. Безусловно, современные моторы на такой смеси нормально работать не будут. Избежать подобных последствий позволяет добавление изобутилового спирта. Он позволяет размешать этил с бензином, поэтому все вместе сгорит в цилиндрах без каких-либо проблем.

Помните, что даже с изобутанолом смесь может осесть на дно топливного бака.

Рекомендуется выкатать топливо как можно быстрее и не оставлять автомобиль на долгий срок, иначе эффекта от проведенной процедуры не будет.

Не менее важно добавлять спирт в правильных пропорциях. Недостаточная концентрация вещества приведет к неэффективному результату, а чрезмерное количество может стать причиной поломки двигателя. Для определения точной пропорции нужно знать количество воды, скопившейся в баке, но без демонтажа узнать цифру невозможно. Так что желательно изучить конструкцию емкости, чтобы понять приблизительный уровень воды, которая осела на дно.

А что в мировой практике?

Если попутешествовать в США и по западной Европе, то можно подметить, что там широко распространено использование биоэтанола. Наиболее популярно низкосодержащее топливо, обозначаемое как Е5, Е7, Е10. Теоретически его можно залить в любой новый автомобиль. Если число больше десяти, то желательно уточнять, допускает ли автопроизводитель использование биотоплива. В Бразилии, США и некоторых странах Европейского союза продают даже Е85. Как не сложно догадаться, такое топливо содержит 85 % этанола и 15 % бензина.

Но здесь не все так просто. Система эта относительно новая, поэтому двигатель на этиловом спирте в некоторых случаях следует поберечь. Почему? Дело в том, что могут быть определенные отклонения от установленного числа. Так, для Е5 (7,10,15,20,25) подобное не допускается. А вот если надпись гласит о том, что топливо Е30, то процентное содержание может колебаться в диапазоне 30-40. Для Е60 это 50-60. А под Е85 понимают 70-85. Да и если встречается, к примеру, А-95Е, то не лишним будет поинтересоваться процентным соотношением такого топлива. Ибо октановое число — это одно, а вот количество спирта на литр — совсем другое.

Дополнительно могут быть введены другие типы обозначения. В таком случае следует узнавать все детали. И не просто ограничиться тем, что переспросил у работников заправки, но затребовать паспорт качества топлива и убедиться в том, что оно соответствует установленным стандартам.

Итог

Биоэтанол — одна из форм этанола. Ключевое различие между ними — способ производства. Биоэтанол производится только биологическим путем, в то время как получить этанол можно и химическим, и биологическим способом. Второй важный момент: в отличие от этилового спирта, биоэтанол — это возобновляемый источник энергии.