ТАЛЛИНСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
Инженерный факультет
Вирумааский колледж
RAR0720 Возобновляемые топлива
Рожин Максим, 143379
Мировые тенденции и перспективы применения биотоплив
Преподаватель: , лектор
Кохтла-Ярве 2017
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ 3
1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОТОПЛИВ 4
1.1. Транспорт 4
1.2. Производство электроэнергии 4
1.3. Отопление 5
2. ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ МИРОВОГО РЫНКА БИОТОПЛИВА 6
2.1. Обзор мирового рынка биотоплива 6
2.2. Тенденции мирового рынка биотоплива 9
3. СЛЕДУЮЩЕЕ ПОКОЛЕНИЕ: ПРОДВИНУТЫЕ БИОТОПЛИВА 11
3.1. Второе поколение биотоплива 11
3.2. Третье поколение биотоплива 11
3.3. Четвёртое поколение биотоплива 12
4. БИОТОПЛИВА СЕГОДНЯ И ЗАВТРА 13
4.1. Развитие и потенциалы в Европе 13
4.2. Глобальные тренды и потенциалы 13
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 15
ЛИТЕРАТУРА 16
ВВЕДЕНИЕ
Биотопливо — это топливо из биологического сырья, как правило — из отходов сельскохозяйственного производства. Делится на жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, биодизель), твёрдое (дрова, солома) и газообразное (синтез-газ, биогаз, водород). [1]
Ископаемые топлива включают в себя свыше 80,3% основной энергии потребляемой в мире и 57,7% от этого количества используется в транспорте. Таким образом, можно подытожить, что ископаемые топлива являются ответственными за выбросы наибольшего количества загрязнителей в атмосферу, включая парниковые газы. [2]
Биотопливо первого поколения помогло продемонстрировать потенциал для массового производства, распределения, и использования топлив на основе растений. Однако, такие топлива производились и будут производиться из кукурузы и соевых бобов.
Биотопливо второго поколения начали производить в промышленных масштабах в 2015 году. На сегодняшний день, 67 предприятий по производству второго поколения биотоплив оперируют по всему миру, где свыше 1/3 от этого количества оперируют в промышленных масштабах. [3]
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ БИОТОПЛИВПри использовании топлива, существует тенденция думать о нём как о жидкости для использования в автомобилях, грузовиках, и возможно самолётах. На самом деле, биотоплива рассматриваются как способ замены всех человеческих энергетических потребностей, начиная с домашнего отопления и заканчивая топливом для производства электроэнергии. Основная концепция такова, что, если мы используем столько же продукта, сколько мы и вырастили, тогда наше воздействие на окружающую среду должно быть незначительным или нулевым.
Около 30% всей потребляемой энергии в США используется в транспорте. Бытовое и коммерческое использование вместе насчитывают лишь до 10% потребляемой энергии. Глобально, транспорт насчитывает до 25% энергопотребления и около 62% потребляемой нефти. Большая часть, сжигается для управления транспортными средствами, а оставшаяся энергия идёт на обслуживание, производство, инфраструктуру и сбор урожая. Только 12% сгоревшей машиной энергии идёт на её движение и только около 2% используется для передвижения пассажиров. Остальная энергия теряется на трение, разогрев и неэффективное сгорание. [4]
Производство электроэнергииПроизводство электричества является самым распространённым способом использования топлива в мире. В 2016 году, мир произвёл около 21959 ТВт электричества. Это на 2% больше, чем в 2015 году. [5]
Очевидно, что огромная часть энергии идёт на производство электричества. Большая часть выбросов парниковых газов приходится на производство электричества. Интересно, что ядерная энергия меньше всего наносит ущерб с точки зрения произведённых загрязнителей. Однако, возобновляемая форма энергии просто необходима, и биотопливо способно предоставить частичный ответ на данный вопрос. [4] На данный момент, только 15% всего электричества в США создана из возобновляемых источников. [5]
Большая часть электричества из биотоплива выработана как побочный продукт производства топлива для транспорта.
В долгосрочной перспективе, биотопливо скорее всего не будет играть главную роль в производстве электроэнергии, по двум очень важным причинам. Во первых, использование биомассы является средством избавления сельского хозяйства от отходов, и как таковое является дешёвым. И во вторых, биомасса является загрязнителем. Из-за необходимости снижения выбросов парниковых газов, промышленность производства электричества является главной целью. И такие альтернативы как ветер и солнце привносят возможность производить более чистую энергию, чем биотоплива. [4]
Основная часть биотоплива используется в отоплении в виде твёрдой биомассы. Древесина является как эстетическим, так и практическим методом отопления. Возобновившийся интерес к твёрдым биотопливам, от части является ответом к увеличению цен на энергию. Котлы газификации древесины способны достигнуть 91% КПД. [4]
Выгодами использования биомассы для отопления являются стоимость, доступность и низкие технические барьеры.
Самым большим продвижением в сжигании биомассы пришло в образе когенерации или в комбинированном производстве электроэнергии и тепла. В этих условиях, электричество и тепло получаются из одной и той же основной реакции биомассы. [12]
ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ МИРОВОГО РЫНКА БИОТОПЛИВА Обзор мирового рынка биотопливаДвижущими факторами для распространения биотоплива, являются угрозы, связанные с энергетической безопасностью, изменением климата и экономическим спадом.
Распространение производства биотоплива по всему миру нацелено на:
- Увеличение доли потребления экологически чистого топлива, особенно в транспорте; Снижение зависимости от импортируемой нефти для многих стран; Снижение выбросов парниковых газов; Развитие экономики;
Биотопливо является альтернативой традиционным видам топлива, получаемым из нефти. В долгосрочной перспективе постоянно растущий спрос на биотопливо со стороны наземного, воздушного и морского транспорта может сильно изменить сложившуюся ситуацию на мировом рынке энергоносителей.
По прогнозам Мирового энергетического агентства, нехватка нефти в 2025 году будет оцениваться в 14%, что в несколько раз больше, чем в текущем году. Так что огромный мировой автопарк может спасти лишь постепенный уход от бензина и дизтоплива.
По данным МЭА, общий объем производства биотоплива - в том числе биоэтанола и биодизеля - в 2012 году составил 110 млрд. литров. То есть даже удвоение текущего уровня производства к 2021 году покроет лишь 7% мировой потребности в топливе.
Темпы роста производства биотоплива намного отстают от темпов роста потребности в них. Происходит это из-за необходимости наличия дешёвого сырья и недостаточного финансирования. Массовое промышленное использование биотоплива будет определяться достижением ценового равновесия с традиционными видами топлива, получаемыми из нефти.
В отчете американского бизнес-агентства GBI Research сообщается, что доля генерации энергии из возобновляемых источников в 2012 году составила 30% или 1 695 ГВт. Аналитики GBI прогнозируют, что к 2020 году эти мощности возрастут до 2 762 ГВт, что увеличит долю «чистой» энергии в мире до 36%.
Согласно исследованиям Минсельхоза России и ФГНУ «Росинформагротех», в структуре альтернативной энергетики в мире энергия биомассы составляет до 13% (Рис. 1). По прогнозам ученых, доля возобновляемых источников энергии к 2040 г. достигнет 47,7%, а вклад биомассы — 23,8%.
Рис. 1. Доля биотоплива в структуре альтернативной энергетики в мире [6]
Мировыми центрами производства биотоплива в 2012 году являлись США, Бразилия и Европейский Союз. Это три самых больших рынка в мире, в 2010 году сконцентрировавшие 85% мирового производства биологического топлива. Самая большая доля приходится на Соединенные Штаты Америки - 48% биотоплива в мире (Рис. 2).
Рис. 2. Доля крупнейших производителей в мировом объеме производства биотоплива [6]
Самый распространённый вид биотоплива - биоэтанол, его доля составляет 82% всего производимого в мире топлива из биологического сырья (Рис. 3). Ведущими его производителями являются США и Бразилия. На 2-м месте находится биодизель. В Европейском Союзе сосредоточено 49% производства биодизеля.
Рис. 3. Доля биоэтанола в мировом объеме производства биотоплива [6]
Тенденции мирового рынка биотопливаОбъём мирового производства биотоплива с 2000 года увеличился в 8 раз – с 10.000 тыс. тонн нефтяного эквивалента, до 80.000 тыс. тонн нефтяного эквивалента в 2016 году (Рис. 4).
Рис. 4. Уровень производства биотоплива в период 2000-2016 гг. [7]
Популярность биоэтанола и биодизеля объясняется их использованием в качестве альтернативного топлива для автотранспорта – современные конструкции двигателей позволяют использовать как чистый (96%) этанол, так и его смесь с бензином в различных соотношениях. При этом преимущество биодизеля заключается в том, что его применение не требует специальной конструкции двигателя. В связи с этим объёмы производства биодизеля значительно увеличились в период 2006-2016 гг (Рис. 5).
Рис. 5. Увеличение мировой продукции биотоплива в период 2006-2016 гг. [7]
В дальнейшем также прогнозируется рост объёмов производства и применения биотоплива. Аграрная селекция, направленная на получение более богатой целевыми веществами биомассы и более холодоустойчивых растений, позволит странам с более суровым климатом увеличить производство биотоплива. В связи с этим биотопливо можно назвать более «гибким» источником энергии, нежели, например, солнечную энергию.
СЛЕДУЮЩЕЕ ПОКОЛЕНИЕ: ПРОДВИНУТЫЕ БИОТОПЛИВА
Более чем 99% всех производимых биотоплив сегодня попадают в категорию “первое поколение”. Это означает, что биотоплива получаемые из крахмала, сахара, растительных масел и зерновых культур выращиваются особенно для энергии. Требования к исходному сырью и земли этих топлив конкурируют с другими возможными использованиями. Вот почему, новые, продвинутые биотоплива так необходимы, например, вторые или даже третьи поколения биотоплив.
Второе поколение биотопливаВторое поколение биотоплив нацелено на использование исходного сырья для того, чтобы получить доступ к более широкому диапазону сырья. Это в основном, лигноцеллюлозные материалы, смесь разных пропорций целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, в зависимости от особенностей исходного материала. Они могут быть сельскохозяйственными остаточными материалами (напр. солома), остатками от вырубки лесов, или зерновые культуры биомассы такие как, травы или древесина.
Термин “второе поколение” биотоплив определяется на основе сырья и конверсии. Однако, не существует точного определения, так что некоторые топлива не могут быть внесены в определённое “поколение” (напр. биометан), в то время, как другие продукты вносят и в третье, и даже в четвёртое поколения (топлива из бактерий секвистрирующие CO2). [8]
Третье поколение биотопливаТретье поколение биотоплива основано на улучшении в производстве биомассы. Производство использует в своих интересах зерновые культуры, такие как водоросли. [10]
Это биотопливо включает в себя специфическое производство биодизеля и других биотоплив на основе водорослей, таких как этанол и биогаз. Фотосинтетическое улавливание CO2 из водорослей для производства биомассы и последующей экстракцией биодизеля из клеток водорослей, привлёк много внимания. Однако, технология пока ещё не экономически выгодна и устойчива для производства биодизеля. [11]
Четвёртое поколение биотопливаБиотоплива четвёртого поколения нацелены не только на производство стабильной энергии, но и на способ улавливания и хранения CO2. Биомасса, поглощающая CO2 во время роста, превращается в топливо используя такие же процессы, как и топливо второго поколения. Этот процесс отличается от производства второго и третьего поколений биотоплив, поскольку на всех стадиях производства, CO2 улавливается используя такие процессы, как например, кислородно-топливное сжигание. Затем CO2 может быть секвестрирован, храня его в старых месторождениях нефти и газа или в солевых водоносных слоях. Такое улавливание углерода делает производство четвёртого поколения биотоплива углерод-нейтральным, поскольку углерода удерживается столько, сколько его и производится. Данная система не только улавливает и хранит CO2 от атмосферы, но и также сокращает выбросы CO2 заменяя ископаемые топлива. [10]
БИОТОПЛИВА СЕГОДНЯ И ЗАВТРА Развитие и потенциалы в ЕвропеИспользование биотоплив в Европе увеличилось более чем в десять раз с 2000 года. Самый быстрый рост был с 2005 по 2010 года (Рис. 6).
Рис. 6. Рост потребления биотоплива в Европе для транспорта (в тонне нефтяного эквивалента) [9]
Анализ потенциалов и требований до 2050 года достиг следующего заключения: удерживая стабильное производство, второе поколение топлив стало бы использоваться всё больше и больше после 2020 года и покрыло бы значительную часть требований на топливо в грузовиках, кораблях и секторах авиации к 2050 году, в то время как легковые автомобили начали бы использовать электроэнергию.
Глобальные тренды и потенциалыЗа последние десятилетия, энергопотребления в транспорте постоянно росли по всему миру. Легковые автомобили и грузовики берут на себя основное потребление; доставки и авиация развиваются динамично.
Центр международной деятельности биотоплива находится за пределами Европы. Бразилия и США всегда являлись лидерами, с точки зрения количества, и подчёркивают это с продолжающейся восходящей тенденцией. Бразилия планирует расширить этанол сахарного тростника на основе увеличения урожая, и также нацелены расширить в большом масштабе агроэкологические зоны. США заморозили использование зернового биоэтанола, но планируют использовать увеличенные количества “продвинутых биотоплив” и импорты этанола из Бразилии. Развивающиеся страны, такие как Аргентина и юго-восточные страны Азии планируют существенно увеличить их производство, и также увеличить их собственное потребление. Вместе с Европой, США и Бразилией, 20 других стран приняли связывающие квоты, и другие 6 стран определили смешивающиеся цели в их законодательстве.
Глобальные потенциалы биоэнергии были анализированы во многих исследованиях. Из-за соединений между сельскохозяйственными проблемами и вопросами использования земли и охраной окружающей среды, необходимо принимать во внимание вопросы по устойчивости.
Энергетические зёрна могут также быть выращены на неплодородной земле, которая не может быть использована для сельскохозяйственного производства, с позитивным влиянием на плодородие почвы, особенности эрозии и содержания углерода в почве; но также доступность воды является важным ограничением.
В добавок, в зависимости от развития и потребления урожая, можно сказать, что половина “низкого” глобального потенциала биоэнергии было бы достаточно для замены всего спроса на топливо, основанное на нефти к 2050 году.
Другая половина глобального потенциала биоэнергии была бы доступна для производства энергии и тепла, особенно в развивающихся странах. [8]
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Нефтяная промышленность, производители биотоплива, автомобильная промышленность, и политики окружающей среды к своим сожалениям осазнали, что потребители реагируют чувствительно и критически к внедрениям новых топливных качеств, особенно, если техническая совместимость топлива и транспорта недостаточно разъяснена, и также к более важным проблемам связанными с устойчивостью биотоплива.
В дальнейшей перспективе, между 2020 и 2030 годами, первое поколение биотоплив должны быть заменены вторым поколением биотоплив.
Использование биоэнергии распространенны между всеми секторами, и на данный момент главный акцент настроен на производство электроэнергии.
Цели предусматриваемые для биотоплив могут быть выполнены только, если они доступны в достаточном количестве и важные альтернативные двигательные установки и топлива развиты и внедрены на рынок. [8]
