СТРАТЕГИЧЕСКИЙ ПЛАН ИССЛЕДОВАНИЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПЛАТФОРМА «БИОЭНЕРГЕТИКА»
Москва, 2012
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………….………3
БИОЭНЕРГЕТИКА В РОССИИ: СОСТОЯНИЕ, ВОЗМОЖНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ……………………………………………………………………………….……….4
Биоэнергетика как инструмент обеспечения устойчивого развития энергетической
отрасли и конкурентоспособной инновационной экономики в России….………4
1.2. Краткая характеристика биоэнергетической продукции. Востребованность по различным видам биотоплива………………………………………….…………………6
Ресурсная база для биоэнергетики……………………………….…………………..9
Виды биомассы.………………………………………………………..9
Новые биоресурсы как перспективное сырье для биоэнергетики ..11
1.4. Биоэнергетика: природоохранные, экологические и экономические аспекты…..14
Производственная и материальная база, инфраструктура биоэнергетики.............17
Кадровый потенциал сегмента биоэнергетики…………………………………….18
Барьеры и драйверы развития сегмента биоэнергетики……………………………20
БИОЭНЕРГЕТИКА – ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПРИОРИТЕТ РАЗВИТИЯ РОССИЙСКОЙ ЭКОНОМИКИ……………………………………………………………………………………21
Состояние законодательства, последние государственные инициативы………….21
СТРАТЕГИЧЕСКИЕ ЦЕЛИ И ПЛАН РАЗВИТИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ БИОЭНЕРГЕТИКИ…………………………………………………………………23
Приоритетные направления научных исследований и перспективы развития, имеющийся научный задел…………………………………………………………23
3.2. Направления фундаментальных исследований в области биоэнергетики, признанные наиболее актуальными на мировом уровне………………………………27
3.2.1. Исследования в области биотехнологии растений для биоэнергетики…….27
3.2.2. Модификация биосинтеза лигнина…………………………………………….27
3.2.3. Генетическая трансформация in planta: экспрессия целлюлаз
и целлюлосом…………………………………………………………………….28
3.2.4. Устойчивость к абиотическому стрессу……………………………………….29
3.2.5. Повышение урожайности культур для увеличения объемов биомассы……29
3.2.6. Мужская стерильность у растений и проблема биологического
сдерживания…………………………………………………………………………..30
3.2.7. Метаболическая инженерия…………………………………………………..30
Российские прикладные исследования в сфере биоэнергетики
(по видам технологий и продуктов)…………………………………………………33
Предложения к дорожной карте по плану стратегических исследований…………40
ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………………………41
Приложение 1: Состояние фундаментальных и прикладных исследований в области биоэнергетики в мире…………………………………………………………
Приложение 2: Приоритеты и перспективы научного и технологического развития в мире…………………………………………………………………………..
ВВЕДЕНИЕ
Настоящий документ – «Стратегический план исследований»посвящен анализу основных тенденций в области мировой и российской биоэнергетики, оценке перспектив и формированию приоритетов отечественных научных исследований и разработок на ближайщую и отдаленную перспективу. «Стратегический план исследований» подготовлен Технологической платформой "Биоэнергетика" и Обществом биотехнологов России.
Наступившее столетие характеризуется активным внедрением во все сферы жизнедеятельности альтернативных видов энергии, в том числе биоэнергетики, которая приобретает все большую социальную востребованность и в настоящее время входит в число основных приоритетов инновационного развития эклономики.
По оценкам экспертов, к 2050 г. потребление энергии удвоится, что, в свою очередь, приведет к удвоению содержания СО2 в атмосфере и усилению парникового эффекта.
Серьезность экологического положения, задача удовлетворения потребности населения, промышленности и сельского хозяйства в электрической и тепловой энергии, особенно в регионах, удаленных от централизованных энергосетей, приводят к необходимости развития энергетики на основе альтернативных источников энергии, важнейшим их которых является органическая биомасса.
Новая отрасль современной биоэнергетики требует максимальной концентрации усилий ученых, работающих как в области фундаментальных, так и прикладных исследований по формированию научной основы и современных методологических и технологических подходов для решения многочисленных проблем в этой сфере.
1. БИОЭНЕРГЕТИКА В РОССИИ: СОСТОЯНИЕ, ВОЗМОЖНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
1.1. Биоэнергетика как инструмент обеспечения устойчивого развития энергетической отрасли и конкурентоспособной инновационной экономики в России
Главной целью развития биоэнергетики в России является формирование нового направления ТЭК и нового рыночного сегмента востребованных биопродуктовс высокой добавленной стоимостью, произведенных на основе передовых технологий переработки биомассы, что обеспечит решение социальных задач, экологических проблем и реализацию экспортной программы по удовлетворению растущего спроса на продукцию данного вида в зарубежных странах.
Биоэнергетика может стать основным способом решения энергетических проблем значительной части территории РФ (особенно сельскохозяйственных регионов, отдаленных и необустроенных территорий). Биоэнергетика призвана сыграть главную роль в обеспечении замены традиционного моторного биотоплива на экологически безопасное, изготавливаемое на основе возобновляемого сырья и позволяющее сократить выбросы двуокиси углерода, способствовать обеспечению устойчивого развития энергетики и экономики в целом.
Таким образом, с развитием биоэнергетики в России возникают следующие основные преимущества:
Создается новый инновационный сегмент биоиндустрии.
Появляется дополнительный механизм усиления экономического роста путем производства продукции с высокой добавленной стоимостью.
Происходит развитие трех важнейших сегментов экономики: энергетики, сельского хозяйства и лесного хозяйства.
Активизируется научная деятельность в области фундаментальных исследований. Разрабатываются новые технологии по переработке различных видов биомассы.
Происходит широкое внедрение инновационных технологий в сельскохозяйственное и промышленное производство.
Появляются новые конкурентоспособные продукты, развивается потребительский рынок.
Создаются дополнительные условия для успешного развития экономики регионов.
Обеспечивается основа для широкомасштабной утилизации отходов , что способствует улучшению экологической ситуации.
Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что совокупно сегмент биоэнергетики может превратиться в ключевой элемент формирования в России экономики нового типа – биоэкономики.
В Государственной координационной программе развития биотехнологии в России до 2020 г.«БИО-2020» обозначены следующие целевые показатели развития отрасли:
Целевые показатели развития биоэнергетики в России:
10% биоэнергетики в топливном балансе генерации тепловойи электрической энергии;
10% доли биотоплива в объеме моторного топлива;
90 % очистки загрязнения предприятиями ТЭК поверхностных вод биоразлагаемыми сорбентами;
30% энергетической утилизации ТБО и 90% отходов птицеводства;
20% доли европейского рынка по твердому биотопливу;
5% мирового рынка по моторному биотопливу и его компонентов.
1.2. Краткая характеристика биоэнергетической продукции. Востребованность по различным видам биотоплива
На современном этапе развития биоэнергетики главными энергетическими продуктами в этой сфере являются ,биоэтанол, биодизель и биогаз. Биоэтанол и биодизель предназначены для использования в качестве моторного топлива, этанол является также важнейшим сырьевым компонентом для химической промышленности. Поэтому производство биоэтанола играет исключительно важную роль в процессе перехода от традиционной экономики, основанной на использовании исчерпаемых ресурсов к экологически безопасной, устойчиво развивающейся экономике с индустрией, основанной на переработке биомассы.
Производство биоэтанола
Биоэтанол может быть произведен на основе таких продуктов сельскохозяйственного производства, как крахмал, сахар или лигноцеллюлозная биомасса. В настоящее время в мире ежегодно >10 млрд.галлонов этанола производится на основе крахмала (из кукурузы) и сахара (из сахарного тростника и сахарной свеклы) с применением таких классических промышленных тахнологий, как гидролиз крахмала и ферментация сахара (рис.2). Биоэтанол на основе переработки крахмала и сахара часто называют биотопливом 1-го поколения.
Рис 2. Основные технологии производства различных видов биотоплив путем переработки различных видов сырья.
(а) Биоэтанол 1-го поколения на основе крахмала и сахара. Данная технология предполагает гидролиз крахмала до моносахаридов с последующим процессом ферментации с получением этанола. (б) Лигноцеллюлозный этанол. Данная технология включает дополнительный этап предварительной подготовки биомассы – гидролиз с получением моносахаридов для дальнейшей ферментации с получением этанола.Лигноцеллюлозный биоэтанол – занимает ведущее место среди биотоплив 2-го поколения. (в) Биодизель. Поизводство биодизеля в основном основывается на технологии переэтерификации жирных кислот. (г) Газификация биомассы. Биомасса может быть использована для производства метанола, окиси углерода, водорода и других газов в процессе газификации биомассы.
При том, что производство биоэтанола из крахмала представляет собой наиболее удобную, современную и отработанную технологию, она имеет существенный недостаток, представляя определенную угрозу продуктовой безопасности на перспективу и одновременно создает неблагоприятный углеродный дисбаланс.Поэтому в регионах с умеренным климатом, производство биотоплива (в данном случае этанола) из лигноцеллюлозы является приоритетным при условии решения всех технических и технологических проблем и масштабирования технологии. Источником лигноцеллюлозы могут быть энергетические культуры и/или отходы сельского хозяйства и лесо-промышленного комплекса.
Главной проблемой для беспрепятственного перехода от технологии переработки крахмала к производству биоэтанола на основе лигноцеллюлозы является сложная структура клеточной стенки растений, очень устойчивая к разрушению, так называемая “проблема сопротивления”. Современная техология переработки биомассы лигноцеллюлозы включает этап предварительной подготовки биомассы и далее процессы гидролиза, осахаривания, ферментации (рис 1б). Совершенствование всех этих этапов или их замена – необходимое условие для достижения высокой эффективности и низких производственных издержек при практическом использовании данной технологии. Избежание этапа предварительной подготовки сырья и одновременное осуществление осахаривания и ферментации – два важнейших подхода, которые могли бы существенно снизить производственные издержки.Именно в этом направлении необходимо проведение дальнейших научных исследований и разработка прорывных технологий.
Производство биодизеля
Производство биодизеля основано на гораздо более простых технологических подходах, по сравнению с биоэтанолом.Биодизель представляет собой смесь дизельного топлива с маслами, получаемыми из семян растений, водорослей и других биологических источников, например, животного происхождения, которые подвергают переэтерификации для получения глицерина.В настоящее время для этих целей используют семнена растений различных видов, в том числе сои, рапса, подсолнечника, пальмы.После того, как масло экстрагируется, оно проходит переэтерификацию с получением метиловых или этиловых эфиров (рис. 1в). В качестве других потенциальных источников сырья для прямого производства биодизеля могут использоваться терпеноиды, полученные из растений вида Copaifera (“дизельное дерево”) из семейства бобовых или путем генно-инженерной модификации синтеза терпеноидов в растениях с увеличением выхода сесквитерпенов и дитерпенов.
В качестве альтернативы дизельному топливу биодизель уже завоевал свою нишу на рынке моторных биотоплив и этот сегмент бытро увеличивается, хотя производство биодизеля в целом остается еще относительно низким.
Наличие различных видов сырья и биодизельного топлива позволяет выбрать оптимальные варианты с точки зрения природных и экономических факторов.Например, сырьем может быть и соя и использованное масло пищевых производств, однако продукты на выходе (биодизель) будеу отличаться по качественным характеристикам.
Производство биогаза
Третье направление в биоэнергетике – это производство биогаза, который получают путем газификации из различных органических отходов, включая солому и стебли растений (рис 1 г).В качестве биогаза может быть метан, водород или окись углерода. Газификация с использованием современных технологий обеспечивает низкие значения чистого энергетического баланса, что может сдерживать ее неограниченное применение.
Помимо традиционных видов биогаза, в качестве биотоплива третьего поколения может быть предложено производство водорода зелеными водорослями и микроорганизмами. В отличие от водорода, получаемого из других видов биомассы, производство водорода из водорослей осуществляется с использованием биологических реакций расщепления воды, когда гидрогеназа использует электронно-транспортную цепь фотосинтеза для уменьшения потребности в протонах для производства водорода. Для совершенствования данной технологии целесообразно сфокусировать научные исследования на инжиниринге гидрогеназы для повышения толерантности к кислороду и в области системной биологии на изучении генов и процессов, вовлеченных в выработку водорода.
1.3. Ресурсная база для биоэнергетики
Основу сырьевой базы для биоэнергетики в России составляют органическая биомасса растительного и животного происхождения и различные виды отходов, пригодные для переработки.
Биомассой называют все виды веществ растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности организмов и органические отходы, образующиеcя в процессах производства, потребления продукции и на этапах технологического цикла отходов2.
2 ГОСТ Р 52808-2007. Нетрадиционные технологии. Энергетика биоотходов. Термины и определения.
Значительный ресурсный потенциал по биомассе является главным преимуществом России на фоне других стран мира.
Рис. 1. Основные направления переработки биомассы в энергию и топливо
1.3.1. Виды биомассы
В России для целей биоэнергетики могут использоваться следующие видывозобновляемой органической биомассы:
отходы сельскохозяйственного производства (лузга, шелуха, солома, тростник и т.д.), животноводства, леcопромышленного комплекса, а такжемуниципальные и бытовые отходы и др.Общий годовой объём органических отходов в России составляет 625 млн.т, из которых можно получить 69 ГВт энергии или 86 ГВт тепла.
сельскохозяйственные культуры. Перспективы увеличения объема этого вида сырья для биоэнергетики связано с возможностью переработки ежегодно образующихся излишков выращиваемых зерновых и технических культур, а также введением имеющихся в наличии значительных площадей незадействованных земель (около 20 млн.га пашенных земель), пригодных для выращивания энергетических культур.
Энергетические культуры: проблема выбора
При выборе культур для целевого выращивания важное значение, помимо климатических условий, затратности агротехники и промышленной структуры региона, имеет показатель уровня содержания масел в растении, если планируется производить биодизель, и уровня сахара или крахмала, если речь идет о биоэтаноле.
Сырье для биоэнергетики можно сгруппировать следующим образом: традиционные зерновые культуры, традиционные сахаросодержащие культуры, биомасса лигноцеллюлозы и масличные культуры для производства биодизеля.
Традиционные зерновые культуры
Зерновые культуры являются основным источником сырья для производства этанола на основе крахмала. Кукуруза является важнейшей для пищевой и кормовой промышленности культурой, используемой для изготовления продуктов питания, масла, кормов и других продуктов.
Как энергетическое сырье кукуруза может использоваться двумя путями: содержащийся в зернах крахмал может быть использован непосредствнно для производства этанола, а отходы (стебли) потенциально могут быть сырьем для производства лигноцеллюлозного этанола.
Сорго (двухцветное сорго) - пятая в мире по популярности культура, которая выращивается на зерно, фураж, для производства сахара и волокон. Сорго подобным же образом можно различными путями использовать для производства биотоплива: крахмал и сахар могут быть сырьем для производства биоэтанола с использованием имеющихся технологий, из отходов же возможно производство лигноцеллюлозного этанола. Две особенности делают сорго наиболее привлекательной энергетической культурой.Во-первых, не возникает серьезной конкуренции в плане использования земли для выращивания пищевого сорго или для энергетических целей, так как зерна могут использоваться в пищу и как корм для животных, а стебли могут быть направлены на переработку для производства биоэтанола с использованием различных технологий.Во-вторых, сорго устойчиво к засухе и жаре, что позволяет высевать его на неплодородных землях, непригодных для многих других культур.
Помимо сорго и кукурузы, отходы и других культур, таких как пшеница и рис, также могут использоваться для производства лигноцеллюлозного биоэтанола.
Сахаросодержащие растения
Биоэтанол может производиться непосредственно из сахара путем его ферментации.Сахарный тростник (Saccharum officinarum) и сахарная свекла (Beta vulgaris) это два основных вида сахаросодержащих растений.Сахарный тростник произрастает в жарких условиях тропического климата, в то время как свеклу выращивают в умеренных широтах.В России эта культура имеет длительную историю выращивания и культивируется она в основном в регионах с теплым и умеренным климатом, в то же время, потенциально это может приводить к усилению эрозии почвы и понижению чистого энергетического баланса. Прочие сахаросодержащие культуры, выращиваемые в мире, представлены энергетическим тростником – генно-инженерным сахарным тростником с улучшенными свойствами и различными видами сахарного сорго.
Все вышеперечисленные культуры – однолетние, за исключением сахарного тростника.Многолетние культуры более предпочтительны, чем однолетние, т.к.не требуют ежегодного высева, и соответственно их культивирование обходится дешевле.
Наиболее перспективной энергетический культурой в России признан рапс. При урожайности семян рапса 3 т/га можно получить 1 тонну моторного топлива и 2 тонны высококачественных кормов с 1 гектара.
Cтимулирование производства рапса со стороны производителей биодизельного топлива, а также необходимость диверсификации растениеводческой отрасли предопределяют увеличение площадей под рапсом в среднесрочной перспективе.
По прогнозу Минсельхоза России производство семян рапса в 2015 г. достигнет 2800-3500 тыс.т на площади свыше 2 млн. га (для сравнения - в 2005 г. было получено около 300 тыс. т. с площади 240 тыс. га).
древесная биомасса. Россия обладает богатейшими ресурсами древесной биомассы. Средняя площадь лесов и лесных земель на одного жителя – 1,4 га в Европе (3,4 га – в Скандинавских странах), 0,7 га – в Европейском Союзе и 0,2 га – в Азии. Для Российской Федерации этот показатель составляет 5,8 га.
Отходы лесопромышленного комплекса все еще не находят должного применения и представляют большую проблему в плане их утилизации. В то ж время, они являются идеальным сырьем для переработки и только в последние годы начинают привлекать все большее внимание производителей твердого биотоплива. В традиционном производственно-технологическом цикле только 28% от срубленного дерева становится пиломатериалами и другой продукцией, остальное составляют отходы, которые можно классифицировать следующим образом:
лесосечные отходы, образующиеся от лесозаготовок;
промышленные отходы, образующиеся при деревообработке, производстве фанеры, древесно-стружечных плит, целлюлозы и т.д.
древесина, прошедшая цикл использования, т.е. вторичная древесина.
Таким образом, имеющиеся богатейшие лесные ресурсы и высокая урожайность зерновых и технических культур могут использоваться для производства биопродуктов и обеспечивают производителю высокую добавленную стоимость. |
