Биоэнергия

Рудольф Дизель разработал свой двигатель с воспламенением от сжатия в 1890-х годах, а первую успешную модель завершил в 1897 году. На Всемирной выставке в Париже в 1900 году небольшой дизельный двигатель, построенный французской компанией Otto, продемонстрировали работающим на арахисовом масле по просьбе французского правительства. Двигатель был разработан для обычных масел, но работал на растительном масле без доработок.

Биомассу и биотопливо можно долго хранить и использовать, когда нужна энергия, обеспечивая странам энергетическую безопасность круглый год. Однако это зависит от вида биотоплива, и бывают исключения. Срок хранения сильно различается в зависимости от топлива, состава и условий хранения, и некоторые виды биотоплива гораздо менее стабильны, чем другие ^{[58-64,66,68]}.

Например, древесные пеллеты и другая твёрдая биомасса особенно чувствительны к влажности, температуре, вентиляции и обращению. Плохие условия могут вызвать биологическое разложение, потерю энергоёмкости или самонагрев, а сухое хранение с хорошей вентиляцией помогает сохранить их качество ^[60,61].

Долговечное биотопливо, такое как HVO (гидроочищенное растительное масло), очень устойчиво к окислению и, по данным поставщиков, может храниться около 10 лет до начала разложения, если соблюдаются подходящие условия хранения ^A. Независимые исследования тоже подтверждают сравнительно высокую стабильность HVO, в том числе при его добавлении в смеси биодизеля - дизельного топлива ^[64]. Стабильность биодизеля FAME (метиловых эфиров жирных кислот) во многом зависит от состава жирных кислот: насыщенные FAME обычно стабильнее и хранятся дольше ненасыщенных FAME - в зависимости от отходов, из которых они сделаны. Поэтому исходное сырьё для биотоплива может заметно влиять на срок его хранения ^[62,63].

Хотя биодизель легко разлагается биологически, его порча при хранении в основном вызвана окислением и загрязнением, а не самой биоразлагаемостью. Тепло и контакт с воздухом, светом, водой или некоторыми металлами могут ускорить разложение, а антиоксиданты и подходящие условия хранения - замедлить его ^[58,62,63]. В одном исследовании говорится, что биодизель можно хранить 6 месяцев до начала разложения, а через год он может уже не подходить для прямого использования в двигателях ^[58,59].

Смешивание биотоплива (например, FAME-биодизеля с нефтяным дизельным топливом или HVO) может повысить стабильность, продлить срок хранения и сохранить возможность использовать его как топливо-замену в обычных двигателях, хотя результат зависит от самих видов топлива и их пропорций ^{[58,59,62,64]}.

Специально разработанные нано-биодизели содержат наночастицы, которые снижают уязвимость к окислению, поэтому могут оставаться стабильными гораздо дольше ^[59]. Они также могут улучшать сгорание топлива и энергоэффективность, одновременно снижая выбросы некоторых загрязнителей. Однако их эффект зависит от материала, концентрации, топлива и двигателя, а некоторые составы могут повышать выбросы оксидов азота ^B.

У биотоплива срок хранения короче, чем у обычного ископаемого топлива (но HVO - заметное исключение). Тем не менее оно может помочь решить проблему непостоянства ветровой и солнечной энергии: даже биотопливо, хранящееся месяцы, а не годы, может давать быстро подключаемую резервную мощность и энергетическую безопасность в периоды слабого ветра или низкой солнечной генерации, если есть достаточные запасы и оборудование ^[23,66,68]. Если сырьё и цепочки поставок управляются устойчиво, они могут способствовать углеродной нейтральности и более широким усилиям по сокращению выбросов ^{[19-22,72-76]}.

^A How to Store HVO Fuel for Longevity and Safety | Vectec

^B Applications of nanotechnology in biodiesel combustion and post-combustion stages | Renewable and Sustainable Energy Reviews

Биоэнергия не становится углеродно-нейтральной автоматически. Её влияние на климат зависит от сырья, восстановления растительности, того, что иначе произошло бы с землёй или материалом, выбросов в цепочке поставок и времени, нужного для повторного поглощения выброшенного CO₂. Использование отходов и остатков может давать сравнительно низкие выбросы, тогда как изменение землепользования или вырубка медленно восстанавливающихся лесов могут создать углеродный долг на годы или десятилетия.

См.: Carbon Accounting for Sustainable Biofuels - Analysis | IEA

В Бразилии миллионы гектаров тропических лесов, саванн и других природных экосистем расчищены для сельского хозяйства, включая производство сои и сахарного тростника.

Trase связала урожай сои в Бразилии в 2020 году с 562 000 гектарами - 5 620 квадратными километрами - недавней вырубки лесов и преобразования природной растительности. Сюда вошли примерно 76 400 гектаров в Амазонии и 23 600 гектаров в Атлантическом лесу, хотя большая часть пришлась на Серрадо и Пампасы. Биом Серрадо, важный район для выращивания сои и сахарного тростника, особенно сильно пострадал от преобразования земель ^[82,83]. Эти цифры связывают производство сои в Бразилии с преобразованием земель площадью в тысячи квадратных километров, включая большие участки тропических лесов.

И соя, и сахарный тростник связаны с бразильской отраслью биотоплива ^[78,80,81]. Примерно половину бразильского сахарного тростника перерабатывают в этанол ^C. Сою в основном выращивают на корм животным, но побочным продуктом становится соевое масло, из которого делают около 70 % биодизеля страны ^D. По всей Южной Америке площадь посевов сои выросла более чем вдвое: с 26,4 млн гектаров в 2000 году до 55,1 млн гектаров в 2019 году ^[82]. Расширение посевов этих культур может вести к вырубке лесов напрямую, когда посевы заменяют природную растительность, или косвенно, когда расширение на уже используемые сельхозземли вытесняет выпас скота или другую деятельность на недавно расчищенные территории ^[78-82,84].

Вырубка лесов в Бразилии, связанная с соей, значительно больше прямой расчистки земель под сахарный тростник ^[80-83]. С 2009 года политика агроэкологического зонирования сахарного тростника (ZAE Cana) ограничивала расширение его посевов в важных биомах, таких как Амазония и Пантанал (хотя в 2019 году эту политику отменили, что усилило опасения по поводу вырубки лесов) ^[81]. Поэтому выращивание сахарного тростника исторически сосредоточено в центральных и южных регионах за пределами Амазонии, часто на уже используемых сельхозземлях, деградировавших пастбищах или в Серрадо. Поэтому его прямой вклад в потерю тропических лесов Амазонии намного меньше, чем у скотоводства или сои. И всё же его расширение в Серрадо или на пастбища может вытеснять природную растительность или другие сельскохозяйственные занятия, усиливая общее давление на леса ^[78,80,81]. Фактически в одном модельном исследовании 2010 года прогнозировалось, что расширение производства этанола из сахарного тростника могло бы косвенно привести примерно к 50 000 км² (5 млн гектаров) вырубки лесов к 2020 году, главным образом вытесняя пастбища для скота в сторону лесных районов ^[85].

Спрос на биотопливо может способствовать вырубке лесов, повышая спрос на этанол из сахарного тростника и соевое масло для биодизеля. Однако всю затронутую площадь нельзя отнести только к биотопливу: соя также идёт на корм животным и продукты питания, сахарный тростник также идёт на сахар, а большая часть преобразованной растительности - это саванны или луга, а не тропические леса. И всё же, учитывая масштабы преобразования земель, связанного с соей, и прямые и косвенные последствия обеих культур, разумно оценивать порядок величины так: тысячи квадратных километров бразильских тропических лесов были расчищены отчасти ради выращивания культур для биотоплива, пусть это и не точная цифра только для биотоплива ^[78-84].

^C Распределение сахарного тростника в Бразилии между сахаром и этанолом | Reuters

^D Около 70 % бразильского биодизеля производится из сои | Reuters

Дополнительное чтение:

В Бразилии бум сахарного тростника создаёт новую угрозу для тропических лесов Амазонии | Sierra Club

Рост производства сахарного тростника в Бразилии может покрыть потребность в биотопливе и не вести к вырубке лесов: исследование | Mongabay

ИСПРАВЛЕНИЕ: Около 55 % публично объявленных европейскими авиакомпаниями обязательств по экологичному авиационному топливу (SAF) и соглашений о его поставках, как ожидается, будет приходиться на использованные масла и жиры, включая животные жиры, отработанное кулинарное и другие отходные масла. Здесь речь идёт о соглашениях и планируемых контрактах, а не о топливе, уже используемом, как сказано в фильме.

BECCS может давать отрицательные нетто-выбросы, только если отрастающая биомасса действительно удаляет CO₂ из атмосферы, а навсегда сохраняется больше CO₂, чем выделяется на всех этапах процесса. На деле это зависит не только от выбросов на объекте биоэнергетики. Это также зависит от выбросов в цепочке поставок и при использовании земель, а также от долгосрочного углеродного баланса. Сюда входит углерод, потерянный растительностью и почвами; время, нужное биомассе для отрастания; выбросы от выращивания и внесения удобрений, сбора, переработки, перевозки; энергия, нужная для улавливания, сжатия и закачки CO₂, и любой CO₂, который система улавливания не собрала. Нужно также учитывать другие парниковые газы, например метан и закись азота. Поэтому итоговый баланс зависит от сырья, управления землями, доли улавливания, источников энергии и выбранного периода ^{[72-76,97-102,118-121]}.

Для долгосрочного хранения уловленный CO₂ обычно сжимают и закачивают глубоко в пористые горные породы, например в водоносные пласты с солёной водой или истощённые нефтяные и газовые месторождения. На деле CO₂ занимает крошечные пространства внутри породы, а не просто заполняет большую подземную пещеру или шахту. Чтобы он оставался внутри, необходимы тщательный выбор места, надёжные скважины, контроль давления, мониторинг и долгосрочный надзор ^{[118,127,128]}.

Главная опасность утечки - выход уловленного CO₂ во время перевозки или закачки, либо позже через разломы, трещины или повреждённые либо плохо загерметизированные скважины. Данные в [125-128] в основном касаются возможных путей утечки, контролируемых экспериментов, моделирования и оценки рисков; они не показывают, что утечки обычны на хорошо управляемых коммерческих объектах хранения. Ожидается, что правильно выбранные и контролируемые геологические формации будут удерживать почти весь закачанный CO₂ очень долго, хотя риск нельзя считать нулевым. Любой вышедший CO₂ нужно вычесть из заявленного общего объёма CO₂, удалённого из атмосферы, и устранять последствия с помощью постоянного мониторинга и восстановительных мер.

Микроводоросли можно выращивать в открытых прудах или закрытых фотобиореакторах на непахотных, деградированных, засолённых или других малоценных землях, избегая прямой конкуренции с обычными продовольственными культурами. Подходящим площадкам всё равно нужны свет, вода, питательные вещества и CO₂ в достаточном количестве, а нужная площадь зависит от вида водорослей, местного климата и системы выращивания. Поскольку водоросли быстро растут и могут давать больше топлива с единицы площади, чем обычные культуры для биотоплива, общая потребность в земле может быть заметно ниже ^[129-134].

Морским водорослям не нужны ни сельскохозяйственные земли, ни пресная вода. Фермы морских водорослей могут создавать временные места обитания для рыб и беспозвоночных, поглощать избыток питательных веществ, повышать местный уровень кислорода и pH, а также снижать энергию волн. Польза для биоразнообразия зависит от выращиваемых видов, размера и планировки фермы, движения воды, места и методов сбора урожая. Тщательный выбор места может усилить эту пользу, позволяя избежать вреда уже существующим местам обитания, например зарослям морской травы, или занесения неместных видов ^[135-140].

Микробные топливные элементы (МТЭ) используют бактерии, чтобы разлагать органику в сточных водах и передавать высвободившиеся электроны на электрод, создавая электрический ток. Удаление этой органики помогает очищать сточные воды, хотя МТЭ обычно не обеспечивают все этапы очистки сами по себе: для удаления оставшейся органики, питательных веществ и патогенов может всё равно понадобиться дополнительная очистка ^[141-144].

На деле их главная экономическая выгода может быть не в производстве больших объёмов избыточной электроэнергии для других нужд, а в сокращении потребления электричества, необходимого для очистки. При обычной очистке сточных вод на закачку кислорода в воду расходуется много энергии. МТЭ могут сократить часть этой аэрации, одновременно превращая небольшую часть химической энергии сточных вод в электричество, что потенциально снижает общий спрос очистных сооружений на энергию. Вместе эти преимущества в конечном счёте могут сделать очистку сточных вод дешевле. Но пока высокие затраты на строительство и материалы означают, что это ещё не было стабильно показано в коммерческом масштабе ^[141-143].

Для этого МТЭ, возможно, не нужно максимально наращивать выработку электричества. Иными словами, система, которая производит больше всего электричества, не обязательно будет самой экономичной системой очистки. Одно технико-экономическое исследование показало, что использование более дешёвых материалов для электродов может сделать очистку сточных вод выгоднее даже при меньшей выработке электричества ^E. Это позволяет предположить, что практической разработке МТЭ может пойти на пользу приоритет экономически доступной очистки перед максимальной выработкой электричества.

Однако выработка электричества остаётся низкой, особенно по мере очистки сточных вод, когда бактериям остаётся меньше органики для питания. Более крупным системам также нужно решать проблемы стоимости электродов и мембран, загрязнения, неравномерной работы и долгосрочной надёжности. Пилотное исследование на 1 000 л показало, что технология может работать с настоящими городскими сточными водами, но очистка была частичной, а выработка электричества - скромной. Поэтому пока МТЭ остаются в основном экспериментальным способом совместить очистку сточных вод с получением небольшого количества энергии, а не крупным источником электричества ^[141-144].

^E Жертвуя мощностью ради более выгодной очистки: технико-экономический подход к разработке микробных топливных элементов | Chemosphere