Биомасса сельскохозяйственных культур Беларуси – провольствие или топливо?

В последнее время весьма активно декларируются возможности использования сельскохозяйственных растительных культур для производства твердых, жидких и газообразных топлив. При этом часто преувеличивается значение одного из показателей топлива или технологии без детального анализа альтернативных вариантов, что может приводить к существенным экономическим просчетам.

При обосновании рациональной схемы переработки биомассы сельскохозяйственных культур в топлива необходимо учитывать огромное многообразие химического состава растений и их отдельных частей (зерно, клубни, стебли, листья, ботва и т.д.) и многочисленных возможностей их применения для производства продуктов питания, кормов, удобрений, топлив и т. п.

Выбор стратегии переработки сельскохозяйственных растений должен базироваться на анализе их состава, энергий сгорания, экономических и социальных перспектив получаемых продуктов [1].

Состав органической части сельскохозяйственных культур для производства топлив.

Основные компоненты (макрокомпоненты) органической части растительных культур можно условно разделить на две группы:

1. Пищевые (и кормовые) макрокомпоненты (ПМК) – углеводы (глюкоза, сахароза, крахмал), масла, белки.

2. Непищевые макрокомпоненты (НМК) – целлюлоза, (гемицеллюлоза, пентозаны) и лигнин.

Содержание ПМК и НМК существенно зависит от вида сельскохозяйственных растений, их частей и фазы вегетации. В табл. 1 представлены содержания органических макрокомпонентов в растительных культурах в пересчете на абсолютно сухое вещество.

При оценке сельскохозяйственных культур в качестве сырья для производства топлив их можно разделить на три группы:

1. Сельскохозяйственные продукты с высоким содержанием  пищевых углеводов (более 60 % в расчете на сухое вещество): зерно (1-4), клубни (7,8) и т. п., используемые для сбраживания в производстве топливного этанола или бутанола – компонентов легких моторных топлив.

2. Сельскохозяйственные продукты (5,6) с большим содержанием жиров (масел) (более 25 % в расчете на сухое вещество), используемые для производства компонентов дизельных топлив.

3. Сельскохозяйственное сырье (9-11) с большим содержанием целлюлозы и лигнина (более 50 % в расчете на сухое вещество), используемое для производства твердых топлив или термической газификации с получением горючих газов (СО + Н₂ + СН₄), анаэробного брожения с получением биогаза, гидролиза целлюлозы в низкомолекулярные углеводы.

Энергии сгорания топлив

В табл. 2 сопоставлены усредненные теплоты сгорания, плотности энергии в расчете на м³ топлива и средние цены топлива и энергии в российских рублях по данным 2011 года [2]. Плотность энергии минеральных топлив в 2 – 7 раз выше соответствующих величин для растительных топлив. Но стоимость 1 ГДж возобновляемых топлив в 4 – 30 раз меньше стоимости углеводородных топлив и существенно ближе к стоимости 1 ГДж угля и торфа. Вполне очевиден следующий вывод: для работы транспортных энергоустановок показатель плотности энергии может быть критичным и поэтому предпочтение в обозримой перспективе будет отдано более дорогим топливам с высокой плотностью энергии.

Стационарные энергетические системы в значительной мере могут использовать существенно более дешевые энергоносители из возобновляемых сырьевых ресурсов – отходов деревообработки, переработки сельскохозяйственного сырья, а также соломы, стеблей, ботвы или специально выращимаемой биомассы энергоинтенсивных культур: топинамбура, мискантуса, горца Вейриха и т.п.

Из возобновляемого сырья можно получить газообразные, жидкие и твердые топлива. Следует иметь в виду, что при любой химической переработке сельскохозяйственного сырья неизбежно происходит его энергетическая деградация. Как следует из данных табл. 3, наименьшая энергетическая деградация сырья происходит при получении топлив естественной природной консистенции – твердых топлив (пеллеты, брикеты).

Добавленная стоимость топлив из биомассы растительных культур

Другим существенно важным показателем для обоснования стратегии производства топлив из сельскохозяйственного сырья является добавленная стоимость на 1 т топлива (табл. 4). Из данных табл. 4 с полной очевидностью следует, что только затраты на сельскохозяйственное сырье при производстве жидких топлив с высокой концентрацией энергии существенно превышают стоимость полученного топлива. Таким образом, следует говорить об убыли стоимости в процессе получения жидких топлив из сельскохозяйственного сырья. Более того, затраты на возобновляемое сырье для производства 1 т (жидкого) топлива (табл. 4) превышают или близки к стоимости 1 т углеводородных топлив. Учет стоимости побочных продуктов в производстве жидких топлив – кормов, глицерина и т. п. – не приводит к ревизии сделанного выше вывода о деградации стоимости, поскольку эти же продукты могут быть получены при нетопливной переработке сельскохозяйственного сырья. Только производство топливных пеллет из соломы обеспечивает добавленную стоимость (табл. 4).

Топливо или продовольстие?

Пищевые макрокомпоненты растений можно переработать в топлива и пищевые продукты. Сопоставление некоторых альтернативных направлений переработки пищевого сельскохозяйственного сырья представлено в табл. 5. Совершенно очевидно, что производство жидких топлив по усредненным российским ценам 2011 года имеет отрицательные показатели добавленной стоимости. Производство пищевых продуктов имеет положительные показатели добавленной стоимости, увеличивающиеся даже при простейших механических переработках, например, зерно → мука → макароны (крупа). Производство твердых топлив из непищевых остатков сельскохозяйственных культур характеризуется положительными значениями добавленной стоимости.

Очевидным представляется следующий экономически и социально обоснованный вывод:

– пищевые компоненты сельскохозяйственных культур необходимо перерабатывать в продовольствие, но не топливо;

– непищевые и некормовые остатки сельскохозяйственных растений (солома, стеблевые остатки зерновой кукурузы, обмолоченные початки и другие отходы растительной биомассы) являются эффективным сырьем для производства твердых топлив хорошего качества.

Есть ли сырье для производства твердых топлив из соломы и стеблей сельскохозяйственных растений в Беларуси?

Наибольший сырьевой потенциал для производства твердых топлив из сельскохозяйственных культур, вероятно, имеют солома и стеблевая масса зерновой кукурузы. По данным А. Головача [3] в 2007 году валовой сбор всех видов зерна в Беларуси составил 6,897 млн т, а валовой сбор соломы – 7,617 млн т. Валовой сбор соломы определялся с использованием коэффициента пересчета k (равен отношению массы зерна к массе соломы или стеблей), который изменялся в пределах от 0,8 для пшеницы до 2,2 для кукурузы. Таким образом, усредненный по всем зерновым культурам коэффициент пересчета для вычисления массы соломы составил 1,1 по данным [2]. Учитывая рост доли посевов кукурузы (k = 2,2) и рапса (k = 1,8) в Беларуси, можно ожидать, что в перспективе усредненное значение этого коэффициент будет равным 1,2 – 1,3.

Валовой сбор зерна в Беларуси в 2011 году составил примерно 9 млн т [3] и в перспективе должен вырасти до ~ 15 млн т в 2015 году. Следовательно, годовое производство соломы в ближайшее время следует ожидать на уровне 11,0 – 18,5 (млн т)∙год^–1 (при k = 1,25). По данным [3] на подстилку для скота, силосование, буртование, корм и запахивание расходуется ~ 3,5 млн т соломы. Следовательно, в 2012 – 2015 годах ежегодно будет производиться 7,5 – 15,0 млн т соломы, которые можно будет использовать для производства твердых топлив высокого качества (топливных пеллет) практически без потери массы. Такое количество твердого топлива эквивалентно 4,6 – 9,2 млн т у.т. (тонн условного топлива) или 3,2 – 6.5 млн т н.э. (тонн нефтяного эквивалента), что составляет 15 – 30 % от ежегодного топливного баланса Беларуси.

Иногда в качестве альтернативного направления использования соломы предлагается запахивание в полном объеме остаточной соломы для повышения плодородия почв. По данным [3] в 2007 году было запахано 0,428 млн т соломы, т. е. 5,6 %. Вероятно, доля запахиваемой соломы не должна превышать 10 %, к которым добавляются еще и пожнивные остатки. Чистая солома трудно разлагается в почве вследствие высокого соотношения элементов углерода и азота (C/N ~ 100), поскольку оптимальное соотношение для разложения соломы микроорганизмами составляет C/N ~ 20 – 30 [3]. Чтобы избежать снижения урожайности при запахивании чистой соломы вследствие понижения содержания в почве подвижного азота, необходимо существенно увеличивать долю азотных удобрений. Кроме того, излишне глубокое запахивание соломы приводит к развитию масляно-кислого брожения и закислению почв. Таким образом, доля запахиваемой соломы должна быть точно обоснована, учитывая отрицательные последствия ее неумеренного запахивания.

Качество топливных пеллет из соломы следует признать достаточно высоким (табл. 6), что находит отражение в их экспортной стоимости ~ 4000 RUB (или 130 долларов США) за 1 тонну. Следовательно, экспортный потенциал соломенных пеллет Беларуси можно оценить по приведенным выше данным в 1 – 2 млрд долларов США, тем более что пока еще рынок топливных пеллет из растительной биомассы не насыщен.

Что такое энергетический гектар?

В табл. 6 приведены усредненные показатели стоимости продукции некоторых сельскохозяйственных культур с 1 га в расчете на урожайность в Беларуси. Во всех случаях стоимость пищевых продуктов в расчете на 1 га посевов выше стоимости топлив, полученных из соответствующего растительного сырья с 1 га. Производство топливных пеллет существенно повышает экономичность сельскохозяйственной продукции с 1 га. Стоимость топливных пеллет из стеблей кукурузы почти эквивалентна стоимости кукурузной муки и в 1,75 раза превышает стоимость зерна с 1 га.

Таким образом, представляется экономически целесообразным выращивание растительных культур, которые обеспечивают высокий выход стеблевой массы с 1 га. Таким культурами могут быть топинамбур, мискантус гигантский, горец Вейриха, сильфия пронзеннолистная и галега восточная. Топинамбур в условиях Беларуси позволяет получать до 20 т сухой стеблевой массы с 1 га и, следовательно, обеспечить производство топливных пеллет на 80000 RUB∙га^–1 с энергетическим эквивалентом более 12 т у.т.∙га^–1. Кроме того, урожайность клубней топинамбура достигает 15 т∙га^–1, что позволяет получать высокоценные пищевые продукты и корма с потенциальной стоимостью, не меньшей чем для картофеля. Экономически важной особенностью топинамбура является возможность его выращивания без пересева не менее 3 лет на одном месте с незначительным снижением урожайности стеблевой массы. Другие интенсивно растущие культуры (например, мискантус гигантский) могут давать стабильный урожай при выращивании на одном месте без пересева более 10 лет.

Таким образом, можно считать экономически целесообразным выращивание в Беларуси энергоинтенсивных культур, расходуемых в качестве сырья для производства твердого топлива.

 

                                                                                           Г.Я. Кабо,

доктор химических наук, профессор кафедры физической химии Белорусского государственного университета,

                                                                                         А.В. Блохин, доктор химических наук, профессор кафедры физической химии Белорусского государственного уничерситета

 Литература

[1] Д. Бойлс Биоэнергия: технология, термодинамика, издержки. 1987. – М.: Агропромиздат. 152 с.

[2] agro-byrsa.ru / prices / wheat (Агроновости, агробиржа)

[3] Головач А.А. Использование соломы для сохранения и повышения плодородия почв // www.agriculture.by / «Белорусское сельское хозяйство», № 7 (87) Июль 2009.

 

Таблица 1. Содержание (%) органических макрокомпонентов некоторых сельскохозяйственных растений в фазе полной спелости в пересчете на абсолютно сухое вещество (Смирнов П.М. Агорохимия, 1991. С. 20; по Б.П. Плешкову пересчитанные на сухое вещество).

№ п/п	Культуры	Углеводы (пищевые)	Белки (сырой протеин)	Жиры (масла)	Целлюлоза (клетчатка)	Лигнин
Зерно
1	Пшеница	74	16 (18)	2,3	2,8	–
2	Рожь	79	14 (15)	2,3	2,7	–
3	Ячмень	75	10 (11)	2,5	6,3	–
4	Кукуруза	77	10,5 (12)	5,5	2,3	–
5	Рапс	21	25	43	?	–
6	Подсолнечник	7,6	24 (27)	54	5,4	–
Клубни
7	картофель1	77	5,9 (9)	0,5	3,6	–
8	сахарная свекла2	76	4 (6)	0,8	5,6
Другие
9	Стебли зерновых (солома)3				40 28 (пентозаны)	22
10	Листья зерновых полной спелости3				32 21 (пентозаны)	20

¹ Содержание воды составляет 78 %.

² Содержание воды составляет 75 %.

³ Биохимия культурных растений. Под ред. Ермакова А.И. 1958.

 

 Таблица 2. Усредненные теплоты сгорания, плотности и стоимости энергии для различных видов топлив.

№ п/п	Вид топлива (сырья)	Теплота сгорания1, ГДж∙т–1	Плотность (насыпная), т∙м–3	Плотность энергии, ГДж∙м–3	Стоимость топлива, RUB∙т–1	Стоимость энергии, RUB∙ГДж–1
1	Нефть	40	0,85	34	12500	312
2	Уголь	29	0,8	23	4000	138
3	Бензин	44	0,75	33	40900	930
4	Растительное масло (рапс)	39,6	0,9	35,6	31500	795
5	Этанол топливный	29,5	0,79	23	25000	850
6	Дрова	20	0,5	10	600	30
7	Солома (рулоны)	18	0,25	4,5	750	42
8	Пеллеты соломенные	18	0,6	11	4000	220
9	Торф	15	0,5	7,5	3500	230

¹ В расчете на абсолютно сухое вещество.

 

Таблица 3. Энергии сгорания Δ_сH топлив и растительного сырья и деградация энергии при производстве топлив из растительных культур.

ΔсH сухих топлив, ГДж∙т–1	Сырье	ΔсH сухого сырья, ГДж∙т–1	ΔсH сырья естественной влажности 1, ГДж∙т–1	Расход сырья на 1 т топлива m, т	Энергетическая деградация 2
29,5 (этанол топливный)	картофель	16	4 (75 %)	12	1,6
	рожь	16 2	13,8 (14 %)	5	2,3
	кукуруза (зерно)	16 2	13,8 (14 %)	4	1,9
	древесина	20	17 (15 %)	7	4,0
39,6 (рапсовое масло)	рапс (зерно)	29,4	25,3 (14 %)	3,5	2,2
18 (топливные пеллеты и брикеты)	солома	18	15,7 (13 %)	1,2	1,05

¹ В скобках приводится содержание воды в образцах (масс. %).

² Оценочные значения, полученные на основании энергий сгорания образцов естественной влажности.

³ Рассчитывается по формуле: m∙Δ_сH (сырье естественной влажности) / Δ_сH (1 т топлива).

 

Таблица 4. Добавленная стоимость 1 т различных видов топлив из сельскохозяйственных растительных культур (Вычислено по данным [2] за 2011 г.)

Цена 1 т топлива, RUB	Сырье		Добавленная стоимость на 1 т топлива, RUB
	Средняя цена, RUB∙т–1	Стоимость сырья для получения 1 т топлива, RUB
25000 (этанол топливный)	4000 (картофель)	48000 (12)*	–23000
	5000 (рожь, пшеница)	25000 (5)*	0
	6500 (зерно кукурузы)	26000 (4)*	–1000
31500 (рапсовое масло)	зерно рапса 13500	47250 (3,5)*	–15750
4000 (топливные пеллеты)	солома 750	900 (1,2)*	3100

* В скобках приводится расход сырья (т) для получения 1 т топлива.

 

 

Таблица 5. Добавленная стоимость при переработке пищевого (кормового) сельскохозяйственного сырья в пищевые продукты и топливо

№ п/п	Вид сырья	Средняя цена 1 т сырья, RUB	Вид продукции	Цена 1 т продукта, RUB [2]	Отношение массы сырья к массе конечного продукта	Добавленная стоимость на 1 т сырья, RUB
1	Зерно Рожь Пшеница	5000	Мука	9000	1,1	4500
			Макароны	22000	1	17000
			Этанол (пищ.)	28000 1	5	3000
			Этанол (топл.)	25000	5	0
2	Картофель	4000	Картофель (пищ.)	4000	1	–
			Крахмал	30000	5	10000
			Этанол (топл.)	25000	12	–23000
3	Свекла сахарная	3500	Сахар	19500	5	2000
			Этанол (топл.)	25000	10	–1000
4	Зерно рапса	13500	Масло или биодизель (МЭЖК)	31500	3,5	–15750
			Жмых (шрот)	4500	1,4	–14400
5	Зерно кукурузы	5500	Мука	12000	1,1	5950
			Крупа	15000	1,1	8950
			Этанол (топл.)	25000	5	–2500
6	Стебли, початки кукурузы зерновой (15 % влажности)	750	Топливные пеллеты	4000	1,2	3100
7	Солома (10 – 12 % влажности)	750	Топливные пеллеты	4000	1,2	3100

 

 

Таблица 6. Стоимость продукции, произведенной с 1 га в Беларуси (принято, что 31 RUB ~ 1 доллар США).

	Продукция	Средняя урожайность или выход, т∙га–1	Цена, RUB∙т–1	Стоимость, RUB∙га–1
1	Пшеница (зерно)	3,0	5000	15000
1.1	Мука	2,7	9000	24300
1.2	Макароны	2,7	22000	59400
1.3	Этанол (топливный)	0,6	25000	15000
1.4	Солома	3,0	750	2250
1.5	Топливные пеллеты	3,0	4000	12000
2	Кукуруза (зерно)	5,0	5500	27500
2.1	Мука кукурузная	4,5	12000	54000
2.2	Этанол (топливный)	1,0	25000	25000
2.3	Стебли + початки	12	750	9000
2.4	Топливные пеллеты	12	4000	48000
3	Картофель	20	4000	80000
3.1	Крахмал	4	30000	120000
3.2	Этанол (топливный)	1,6	25000	40000
4	Свекла сахарная	40	3500	140000
4.1	Сахар	8	19500	156000
4.2	Этанол топливный	4	25000	100000
5	Зерно рапса	1,5	13500	20250
5.1	Масло рапсовое	0,5	31500	15750
5.2	Биодизель (МЭЖК)	0,5	30000	15000
5.3	Солома рапса	2,7	750	2025
5.4	Пеллеты топливные	2,7	4000	10800
6	Стебли топинамбура	20	750	15000
6.1	Топливные пеллеты	20	4000	80000