Возобновляемое сырье, о котором так много говорят в связи с истощением природных ресурсов, — это органические отходы промышленности, сельского и лесного хозяйства. Такая растительная биомасса дешевле газа, угля и нефти, из нее можно получать новые продукты, одновременно решая проблему утилизации отходов. T&P публикуют статью из сборника «Атлас технологий будущего» о том, как получить дизельное топливо из водорослей, электричество — из органических отходов, а биоразлагаемую упаковку — из свеклы.

Атлас технологий будущего

А.В. Соколова, Н.С. Микова, Е.В. Гутарук
Издательская группа «Точка», 2017
Премия «Просветитель»

Особенно перспективными являются технологии переработки возобновляемого сырья в биотопливо и электроэнергию, а также решения для производства биополимерной упаковки. Применение этих технологий позволяет осуществлять их рециклизацию, т. е. вторичную переработку в новом цикле создания продукции (в частности, субстратов в топливных элементах и биопластиков).

Потенциал использования названных технологий в России очень высок. Их разработка и внедрение приведут в среднесрочной перспективе к снижению зависимости экономики страны от энергоресурсов, зарубежных продуктов и технологий, созданию новых рынков.

Биодизель из микроводорослей

По мере роста численности населения и повышения мобильности людей увеличивается ежегодная потребность в авиационных и автомобильных перевозках. Удовлетворять усиливающийся спрос на моторные топлива возможно путем производства биодизеля нового поколения из зеленых микроводорослей — альтернативы биодизелям, получаемым на основе сельскохозяйственных культур.

Зеленые микроводоросли способны преобразовывать углекислый газ в органические соединения, оказывая при этом очищающий эффект на атмосферу и гидросферу. Такое биотопливо можно использовать в двигателях дизельного типа: оно очень близко по составу к традиционным моторным топливам — продуктам нефтепереработки. Очевидные преимущества микроводорослей — высокие скорость роста биомассы и содержание масел, удобство сбора и возможность выращивания непосредственно на предприятиях и вблизи электростанций — усиливают интерес ученых и многих крупных корпораций к их исследованию и промышленному использованию. В ряде стран начато серийное производство специальных биореакторов по выращиванию микроводорослей. Япония и США уже осуществили успешные испытания авиационного и автотранспорта, работающего исключительно на биодизеле из водорослей.

Эффекты

  • Стимулирование развития транспортного сектора, повышение его экологичности и удовлетворение растущих потребностей в топливе.

  • Снижение остроты конкуренции между техническими и продуктовыми посевными площадями (благодаря культивированию микроводорослей в фитореакторах, вихревых плавающих аквареакторах, открытых водоемах).

  • Развитие регионов с неблагоприятными социально-экономическими условиями и снижение их зависимости от импортируемых топлив.

  • Получение белков, антиоксидантов, пищевых красителей и других полезных продуктов из микроводорослей.

Оценки рынка

К 2030 г. мировое производство биотоплива увеличится до 150 млн тонн в нефтяном эквиваленте при ежегодных темпах роста на уровне 7–9%. Его доля достигнет 4–6% общего объема топлива, потребляемого транспортным сектором. Биотопливо из водорослей может заменить более 70 млрд литров ископаемого топлива ежегодно. Рынок биотоплива в России к 2020 г. может вырасти более чем в 1,5 раза — до отметки в 5 млн тонн в год. Вероятный срок максимального проявления тренда: 2025–2035 гг.

Драйверы и барьеры

  • Экологическая политика развитых стран по минимизации масштабов загрязнения окружающей среды.

  • Необходимость масштабных инвестиций для строительства заводов по производству биодизеля, настройки технологических процессов.

  • Зависимость эффективности роста микроводорослей от интенсивности солнечного света (при выращивании в открытых водоемах).

Структурный анализ

Прогноз структуры мирового рынка биотоплива: 2022 (%)

Электроэнергия из органических отходов

Процессы утилизации и переработки отходов могут быть совмещены с производством практически значимых продуктов и даже электроэнергии. При помощи специальных устройств — микробных топливных элементов (МТЭ) — стало возможным производить электроэнергию из отходов напрямую, минуя стадии получения биогаза и его последующей переработки в электричество.

МТЭ представляют собой биоэлектрическую систему. Эффективность ее функционирования зависит от метаболической активности бактерий, которые расщепляют органические соединения (отходы) и передают электроны на электрическую цепь, встроенную в эту же систему. Наибольшей эффективности таких бактерий можно добиться, встраивая их в технологическую схему предприятий по очистке сточных вод, содержащих органические вещества, при расщеплении которых выделяется энергия.

Уже существуют лабораторные разработки, позволяющие использовать МТЭ для подзарядки аккумуляторов. По мере масштабирования и оптимизации технологических решений станет возможным обеспечивать электричеством и небольшие предприятия. Например, высокопроизводительные МТЭ, работающие на объемах от десятков до тысяч литров, обеспечат автономное питание очистных сооружений.

Эффекты

  • Повышение экологичности производственных процессов и эффективности работы предприятий, снижение их зависимости от внешних источников электроэнергии, уменьшение себестоимости продукции и расходов на приобретение очистных технологий.

  • Улучшение ситуации в энергодефицитных регионах, повышение их конкурентоспособности благодаря использованию МТЭ.

  • Возможность автономного получения электроэнергии для неэнергоемких целей (например, в небольших фермерских хозяйствах).

Оценки рынка

70% — настолько вырастет к 2020 г. в России доля отходов, которые будут перерабатываться методами биотехнологий, по сравнению с 2012 г. В странах Европейского союза доля электроэнергии из биогаза составит около 8%. Вероятный срок максимального проявления тренда: 2020–2030 гг.

Драйверы и барьеры

  • Увеличение объемов органических отходов и рост потребности в электроэнергии.

  • Возможность работы биореакторов типа МТЭ на различных источниках энергии, включая сточные воды.

  • Недостаточный уровень инвестиций, необходимых для встраивания МТЭ в технологические процессы, длительный период их окупаемости.

  • Необходимость привязки биореакторов к местам образования отходов.

  • Относительно низкая эффективность ныне функционирующих опытно-промышленных конструкций биореакторов типа МТЭ.

Структурный анализ

Исследования микробных электрохимических систем по типам: 2012 (%)

Биоразлагаемая полимерная упаковка

Повсеместное распространение упаковки из синтетических полимеров (пакетов, пленок, контейнеров) приводит к обострению проблемы загрязнения окружающей среды. Решить ее может переход к упаковочным материалам из биоразлагаемых полимеров, быстро утилизируемых и удобных в использовании.

В большинстве развитых стран в производстве упаковки намечается тенденция вытеснения тяжело и долго (до нескольких сотен лет) разлагающихся синтетических полимеров биоразлагаемыми (с периодом утилизации 2–3 месяца). Ежегодный объем их потребления только в Западной Европе составляет около 19 тыс. тонн, в Северной Америке — 16 тыс. тонн. Вместе с тем по ряду показателей биополимерные упаковочные материалы пока отстают от традиционных синтетических.

Технологии производства биополимерных материалов на основе полимолочной кислоты из растительных сахаров зерновых культур и сахарной свеклы позволяют производить упаковку с высокими потребительскими характеристиками: эластичную и прочную, устойчивую к влаге и агрессивным соединениям, непроницаемую для запахов, с высокими барьерными свойствами и при этом эффективно и быстро разлагающуюся. Совершенствование технологий направлено на снижение их материало- и энергоемкости.

Эффекты

  • Формирование и развитие нишевых рынков — термоусадочных упаковок, влаго- и запахонепроницаемых пакетов, ударостойких контейнеров и др.

  • Сокращение зависимости экономики от нефтегазового сырья.

  • Снижение негативного воздействия на окружающую среду.

  • Повышение экологической культуры населения, стимулирование приверженности к здоровому образу жизни благодаря массовому использованию качественной и удобной биоразлагаемой упаковки.

Оценки рынка

Рынок биополимеров, изготовленных на основе возобновляемых ресурсов, будет ежегодно расти на 8–10%. Наиболее интенсивно будет развиваться сегмент упаковочных материалов. Уже сейчас объем этого сегмента составляет 90% текущего объема мирового потребления биополимеров (205 млн тонн). Емкость рынка биополимеров в 2020 г. достигнет 4 млрд долларов. Вероятный срок максимального проявления тренда: 2025–2030 гг.

Драйверы и барьеры

  • Ужесточение экологических требований к упаковочным материалам, повышение стоимости утилизации традиционной упаковки.

  • Сокращение использования неразлагаемой упаковки в связи с необходимостью экономить невозобновляемые ресурсы нефти и газа в развитых странах.

  • Недостаточно развитое экологическое воспитание у населения и бизнеса.

  • Более высокая стоимость биоразлагаемых полимеров по сравнению с синтетическими.

Структурный анализ

Биополимерные материалы на рынке производства биопластика: 2010–2011 (%).