Биото́пливо — топливо из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов.
Различается жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель), твёрдое биотопливо (дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, костра, лузга) и газообразное (синтез-газ, биогаз, водород).
54—60 % биотоплива составляют его традиционные формы: дрова, растительные остатки и сушёный навоз для отопления домов и приготовления пищи. Их используют 38 % населения Земли.
Основной формой биотоплива в электроэнергетике являются пеллеты, производимые из древесины.
Транспортное биотопливо существует в основном как этанол и биодизель. В 2014 году этанол составлял 74 % рынка транспортного биотоплива, биодизель — 23 % (преимущественно в форме метиловых эфиров жирных кислот), гидрированное растительное масло (HVO) — 3 %. Эти виды топлива производятся из пищевого сырья. Этанол получают из сахарного тростника (61 %) и из зерна (39 %) . Основными видами сырья для производства биодизеля являются соя и рапс. Попытки коммерциализации жидких биотоплив из источников, не конкурирующих с производством продуктов питания, пока не привели к статистически значимым рыночным результатамRenewables 2015: Global Status Report (PDF) .
Расширению использования биотоплива способствуют обязательные нормы, требующие иметь определённый процент биотоплива в энергопотреблении. К 2011 году такие нормы существовали на национальном уровне в 31 стране, на региональном уровне — в 29 регионахRenewables 2011: Global Status Report (PDF).
Поколения растительного биотоплива Растительное сырьё разделяют на поколения.
Сырьём первого поколения являются сельскохозяйственные культуры с высоким содержанием жиров, крахмала, сахаров. Растительные жиры перерабатываются в биодизель, а крахмалы и сахара — в этанол. С учётом непрямых изменений в землепользовании такое сырьё часто наносит больший ущерб климату, чем тот, которого удаётся избежать за счёт отказа от сжигания ископаемого топливаRenewables 2016: Global Status Report (PDF) , p. 116. Кроме того, его изъятие с рынка прямо влияет на цену пищевых продуктов. Почти всё современное транспортное биотопливо производится из сырья первого поколения, использование сырья второго поколения находится на ранних стадиях коммерциализации либо в процессе исследованийRenewables 2016: Global Status Report (PDF) , p. 43.
Непищевые остатки культивируемых растений, траву и древесину называют вторым поколением сырья. Его получение гораздо менее затратно, чем у культур первого поколения. Такое сырьё содержит целлюлозу и лигнин. Его можно прямо сжигать (как это традиционно делали с дровами), газифицировать (получая горючие газы), осуществлять пиролиз. Основные недостатки второго поколения сырья — занимаемые земельные ресурсы и относительно невысокая отдача с единицы площади.
Третье поколение сырья — водоросли. Не требуют земельных ресурсов, могут иметь большую концентрацию биомассы и высокую скорость воспроизводства.
Биотопливо первого поколения Биотопливо первого поколения в основном делится на биоэтанол и биодизель.
Производство биоэтанола первого поколения основано на микробной ферментации сырья, богатого крахмалом и сахарозой, такого как пшеница, кукуруза и сахарный тростник.
Биодизель в основном получают из пищевого рапсового, соевого или пальмового масла.
Биотопливо второго поколения
Биотопливо второго поколения — различное топливо, полученное различными методами пиролиза биомассы, или прочие виды топлива, помимо метанола, этанола, биодизеля произведённое из источников сырья «второго поколения».
Источниками сырья для биотоплива второго поколения являются лигно-целлюлозные соединения, остающиеся после того, как пригодные для использования в пищевой промышленности части биологического сырья удаляются. Использование биомассы для производства биотоплива второго поколения направлено на сокращение количества использованной земли, пригодной для ведения сельского хозяйства2^nd Generation Biomass Conversion Efficiency study . К растениям — источникам сырья второго поколения относятся:
Водоросли — являющиеся простыми организмами, приспособленными к росту в загрязнённой или солёной воде (содержат до двухсот раз больше масла, чем источники первого поколения, таких как соевые бобы); Рыжик (растение) — растущий в ротации с пшеницей и другими зерновыми культурами; Jatropha curcas или Ятрофа — растущее в засушливых почвах, с содержанием масла от 27 до 40 % в зависимости от вида.
Быстрый пиролиз позволяет превратить биомассу в жидкость, которую легче и дешевле транспортировать, хранить и использовать. Из жидкости можно произвести автомобильное топливо, или топливо для электростанций.
Из биотоплив второго поколения, продающихся на рынке, наиболее известны BioOil производства канадской компании Dynamotive и SunDiesel германской компании CHOREN Industries GmbH.
По оценкам Германского Энергетического Агентства (Deutsche Energie-Agentur GmbH) (при ныне существующих технологиях) производство топлив пиролизом биомассы может покрыть 20 % потребностей Германии в автомобильном топливе. К 2030 году, с развитием технологий, пиролиз биомассы может обеспечить 35 % германского потребления автомобильного топлива. Себестоимость производства составит менее €0,80 за литр топлива.
Создана «Пиролизная сеть» (Pyrolysis Network (PyNe)) — исследовательская организация, объединяющая исследователей из 15 стран Европы, США и Канады.
Весьма перспективно также использование жидких продуктов пиролиза древесины хвойных пород. Например, смесь 70 % живичного скипидара, 25 % метанола и 5 % ацетона, то есть фракций сухой перегонки смолистой древесины сосны, с успехом может применяться в качестве замены бензина марки А-80. Причём для перегонки применяются отходы дереводобычи: сучья, пень, кора. Выход топливных фракций — до 100 килограммов с тонны отходов.
Биотопливо третьего поколения Биотопливо третьего поколения — топлива, полученные из водорослей.
Департамент Энергетики США с 1978 года по 1996 года исследовал водоросли с высоким содержанием масла по программе «Aquatic Species Program». Исследователи пришли к выводу, что Калифорния, Гавайи и Нью-Мексико пригодны для промышленного производства водорослей в открытых прудах. В течение 6 лет водоросли выращивались в прудах площадью 1000 м². Пруд в Нью-Мексико показал высокую эффективность в захвате CO2. Урожайность составила более 50 гр. водорослей с 1 м² в день. 200 тысяч гектаров прудов могут производить топливо, достаточное для годового потребления 5 % автомобилей США. 200 тысяч гектаров — это менее 0,1 % земель США, пригодных для выращивания водорослей. У технологии ещё остаётся множество проблем. Например, водоросли любят высокую температуру, для их производства хорошо подходит пустынный климат, но требуется некая температурная регуляция при ночных перепадах температур. В конце 1990-х годов технология не попала в промышленное производство из-за низкой стоимости нефти.
Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи электростанций. Сбросное тепло ТЭС способно покрыть до 77 % потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей. Эта технология не требует жаркого пустынного климата.
Биотопливо третьего поколения демонстрирует самые низкие чистые выбросы парниковых газов, что позволяет сократить их содержание в атмосфере.
Виды биотоплива Биотопливо разделяют на твёрдое, жидкое и газообразное. Твёрдое — это традиционные дрова (часто в виде отходов деревообработки) и топливные гранулы (прессованные мелкие остатки деревообработки).
Жидкое топливо — это спирты (метанол, этанол, бутанол), эфиры, биодизель и биомазут.
Газообразное топливо — различные газовые смеси с угарным газом, метаном, водородом, получаемые при термическом разложении сырья в присутствии кислорода (газификация), без кислорода (пиролиз) или при сбраживании под воздействием бактерий.
Твёрдое биотопливо
Дрова — древнейшее топливо, используемое человечеством. В настоящее время в мире для производства дров или биомассы выращивают энергетические леса, состоящие из быстрорастущих пород (тополь, эвкалипт и др.). В России на дрова и биомассу в основном идёт балансовая древесина, не подходящая по качеству для производства пиломатериалов.
Топливные гранулы и брикеты — прессованные изделия из древесных отходов (опилок, щепы, коры, тонкомерной и некондиционной древесины, порубочные остатки при лесозаготовках), соломы, отходов сельского хозяйства (лузги подсолнечника, ореховой скорлупы, навоза, куриного помета) и другой биомассы. Древесные топливные гранулы называются пеллеты, они имеют форму цилиндрических или сферических гранул диаметром 8—23 мм и длиной 10—30 мм. В настоящее время в России производство топливных гранул и брикетов экономически выгодно только при больших объёмах.
Энергоносители биологического происхождения (главным образом навоз и т. п.) брикетируются, сушатся и сжигаются в каминах жилых домов и топках тепловых электростанций, вырабатывая дешёвое электричество.
Отходы биологического происхождения — необработанные или с минимальной степенью подготовки к сжиганию: опилки, щепа, кора, лузга, шелуха, солома и т. д.
Древесная щепа — производится путём измельчения тонкомерной древесины или порубочных остатков при лесозаготовках непосредственно на лесосеке или отходов деревообработки на производстве при помощи мобильных рубительных машин или с помощью стационарных рубительных машин (шредеров). В Европе щепу в основном сжигают на крупных теплоэлектростанциях мощностью от одного до нескольких десятков мегаватт.
Часто также: топливный торф, твёрдые бытовые отходы и т. д.
Жидкое биотопливо В 1988 году в США было объявлено о намерении освоить промышленный выпуск бензина из одноклеточных водорослей к началу 2000-х годовБензин из водорослей // «Красная звезда» от 4 марта 1988. стр.4.
Биоэтанол
Мировое производство биоэтанола в 2015 году составило 98,3 млрд литров, из которых 30 пришлось на Бразилию и 56,1 — на США. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США — из кукурузы.
В январе 2007 года, в послании Конгрессу Дж. Буш предложил план «20 за 10». План предлагал сократить потребление бензина на 20 % за 10 лет, что позволило бы сократить потребление нефти на 10 %. 15 % бензина предполагалось заменить биотопливом. 19 декабря 2007 года президент США Дж. Буш подписал «Акт о энергетической независимости и безопасности США» (EISA of 2007)Energy Independence and Security Act (PDF) , который предусматривал производство 36 миллиардов галлонов этанола в год к 2022 году. При этом 16 млрд галлонов этанола должны были производиться из целлюлозы — не пищевого сырья. Реализация закона столкнулась с многочисленными трудностями и отсрочками, предусмотренные в нём цели в дальнейшем неоднократно пересматривались в сторону уменьшения.