Кукуруза для этанола

В мире давно исследуется перспектива замены топлива на нефтяной основе биологическим, получаемым переработкой возобновляемого сырья. Чаще других называется этанол. Скептики смеются и выдвигают астрономические оценки, по которым "...придется увеличить посевные площади под спиртоносные культуры, причем не в 100 раз, а существенно больше..".

Основные сведения о процессах нефтепереработки в википедии

Вывод: максимальный выход светлых составляющих (при вторичной переработке), из которых затем можно приготовить бензин, керосин, дизельное топливо составляет от 40-45 до 55-60%.

Т.е. выход топлива для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) составляет не более 60%.

По данным Oil and Gas Journal, в 2005 мировая добыча нефти составила 3,6 млрд. тонн. Таким образом, даже если всю нефть переработать на топливо, то получится не более 2,16 млрд. тонн горючего. На самом деле, эта цифра ниже, поскольку нефть используется и в химической промышленности для получения углеводородов и пластмасс.

Структура потребления нефти, по данным Американского Института Нефти (American Petroleum Institute):
43% — в качестве топлива для автомобилей
9% — в качестве авиатоплива
11% — как дизельное топливо
4% — используется для отопления домов
5% — в качестве корабельного топлива
16% — на изготовление асфальта, пластика, масел и т.п.
12% — для иных нужд

Пример США можно рассматривать, как образец потребления нефти с максимальной потребностью в ее использовании в качестве горючего для ДВС. Итого, нефть в США на 72% используется в качестве сырья для производства горючего, при этом бензин занимает примерно 60% доли этого горючего.

Во-вторых, процесс перегонки нефти энергоемок и тоже требует затрат энергии. Поэтому далеко не вся добываемая нефть идет на получение горючего для ДВС. В частности, 1 литр бензина для своего производства требует энергии, которая образуется при сжигании примерно 1,2 литра бензина.

Для более точной оценки нам нужно оценить не добычу, а мировое потребление горючего.

Мировое потребление бензина в настоящее время составляет 18,1 млн. баррелей в день, из которых 14,5 млн. баррелей приходится на промышленно развитые страны (источник). Это примерно 2,014 млн. тонн в день (из расчета: 1 баррель равен 159 литров, плотность бензина 0,7 кг/литр) или 735 млн. тонн бензина в год. Другие источники называют цифру в 800 млн.тонн/год. Возьмем для расчета максимальную цифру. Как мы помним, бензин составляет примерно 60% в структуре потребляемого топлива (на примере США). Значит, если представить, что весь мир потребляет его так же,  всего миру требуется примерно 1,3 млрд. тонн топлива для ДВС.

Эта цифра хорошо показывает, что даже при 72% использовании нефти в качестве сырья для горючего только половина добываемой нефти (1,9 млрд. тонн из 3,6) является продуктом потребления. Еще 1,9 сжигается для получения необходимого количества продуктов переработки.

Проверим, насколько состоятельна гипотеза о замене топлива, получаемого из нефти на биотопливо, получаемого, например, из этанола (топливо на основе этилового спирта), который, в отличие от нефти, является возобновляемым ресурсом и получается путем переработки растительного сырья. Более подробно про этанол в википедии.

Анализ сырья для производства этанола. Выход продуктов с тонны сырья (технология - сухой помол):

Сырье Этанол, литров с тонны Сухая барда, кг с тонны CO2, кг с тонны
Пшеница 375 330 370
Рожь 357 390 350
Ячмень 330 430 320
Кукуруза 410 300 400

Вывод: наиболее высоким показателем обладает кукуруза.

Удельная теплота сгорания этанола 27 МДж/кг, у бензина – 46 МДж/кг. Т.е. для выделения одинакового количества теплоты нам потребуется сжечь этанола в 1,7 раза больше, чем бензина. На самом деле, КПД двигателя на этаноле выше по разным оценкам на 10-15%, но мы это не будем учитывать, оставив про запас.

Итак, нам требуется получить в мировом масштабе эквивалент 1,3 млрд.тонн/год горючего в виде его этанольного эквивалента. То есть 2,21 млрд.тонн/год этанола.

Плотность этанола при комнатной температуре - 0,79 кг/литр. Значит потребуется 1745,9 млрд. литров/год этанола. Нынешний уровень производства этанола порядка 33 млрд.тонн/год, то есть в 60 раз ниже.

При выходе 410 литров с одной тонны кукурузы получаем потребность 4,26 млрд.тонн этой сельскохозяйственной культуры. Нынешний уровень мирового производства кукурузы порядка 700 млн.тонн в год, то есть примерно в 6 раз ниже.

Урожайность кукурузы - 24-29 ц/га, а в наиболее благоприятных зонах возделывания - до 50 ц/га и выше. Для расчета можно принять усредненный показатель в 3,7 тонны с гектара.

Тогда для выращивания необходимого объема кукурузы нам потребуется 1151 млн.га сельскохозяйственных земель.

Посмотрим на оценку мировых земельных ресурсов.

Регион

Пахотнопригодные земли, млн. га

Освоенные в земледелии, млн. га

Степень освоенности, %

Резервы для освоения, млн. га

Доля в мировом резерве, %

СНГ

360

230

64

130

13

Европа*

160

140

88

20

2

Азия*

600

460

77

140

14

Африка

430

185

43

245

25

Северная Америка

380

275

72

105

11

Южная Америка

410

140

34

270

27

Австралия

130

50

38

80

8

Весь мир

2 470

1 480

60

990

100

* - без стран СНГ.

Как видно, полученная цифра лишь немного превышает резервы пахотнопригодных земель. При этом общий объем пахотных земель в мире увеличивается менее чем в 2 раза. Поэтому скептики-лоббисты нефтяных корпораций, оперирующие пугающими обывателя, но совершенно необоснованными цифрами вроде "в 100 раз", оказываются, мягко говоря, неправыми.

При расчете мы не учли ни резервов, которые дает повышение КПД ДВС на этаноле, ни генной инженерии, которая уже сейчас при всей незрелости технологий дает прирост урожайности кукурузы в 2-3% ежегодно, ни тот факт, что уже сейчас часть кукурузы перерабатывается в этанол и эти цифры растут. Не учли мы и потребность в этаноле, как источнике энергии для производства этанола (здесь ситуация тоже неплохая, КПД производства этанола 134% против упомянутых 80% бензина).

По итогам же можно сказать, что у сторонников этанола есть гораздо больше перспектив и оснований быть оптимистами, нежели у их критиков, у которых вышибает из под ног опору исчерпаемость ресурса и спекулятивные цены на рынке