Биоэнергетика - Высшая школа экономики

СТРАТЕГИЧЕСКИЙ ПЛАН
ИССЛЕДОВАНИЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПЛАТФОРМА
«БИОЭНЕРГЕТИКА»
Москва, 2012
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………………….………3
1. БИОЭНЕРГЕТИКА В РОССИИ: СОСТОЯНИЕ, ВОЗМОЖНОСТИ И ПЕРСПЕКТИВЫ
РАЗВИТИЯ……………………………………………………………………………….……….4
1.1. 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
1.3.Ресурсная база для биоэнергетики……………………………….…………………..9
1.3.1.
Виды биомассы.………………………………………………………..9
1.3.2.
Новые биоресурсы как перспективное сырье для биоэнергетики ..11
1.4. Биоэнергетика: природоохранные, экологические и экономические аспекты…..14
1.5.Производственная и материальная база, инфраструктура биоэнергетики.............17
1.6.Кадровый потенциал сегмента биоэнергетики…………………………………….18
1.7.Барьеры и драйверы развития сегмента биоэнергетики……………………………20
2. БИОЭНЕРГЕТИКА – ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПРИОРИТЕТ РАЗВИТИЯ РОССИЙСКОЙ
ЭКОНОМИКИ……………………………………………………………………………………21
2.1.Состояние законодательства, последние государственные инициативы………….21
3. СТРАТЕГИЧЕСКИЕ ЦЕЛИ И ПЛАН РАЗВИТИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В
ОБЛАСТИ БИОЭНЕРГЕТИКИ…………………………………………………………………23
3.1.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
3.3.Российские прикладные исследования в сфере биоэнергетики
(по видам технологий и продуктов)…………………………………………………33
3.4.Предложения к дорожной карте по плану стратегических исследований…………40
4. 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…………………………………………………………………………..
2
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.
3
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.
4
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.
5
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.
1
2
Крахмал
Гидролиз
Сахароза
Биомасса
лигноцеллюлозы
Подготовка
Метанол
Растительные масла
Переэтерификация
Глюкоза или фруктоза
Измельчение
биомассы
Биодизель
Ферментация
Гидролиз
Сжижение и
пиролиз биомассы
Биоэтанол
Глюкоза, ксилоза и др.
(а)
Биомасса
(в)
Ферментация
Биомасса и
органические отходы
Биоэтанол
(б)
Анаэробная
газификация
Биогаз
(г)
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В ОБЛАСТИ
РАСТЕНИЕВОДСТВА ДЛЯ БИОЭНЕРГЕТИКИ
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
6
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 лесопромышленного 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
7
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.
8
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
9
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.Вопервых, 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.Вовторых, 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.
10
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.
1.3.2. Новые биоресурсы как перспективное сырье для биоэнергетики
Актуальные задачи повышения эффективности энергоотдачи биомассы и снижения
стоимости производства биотоплив напрямую связаны с успешными научными
исследованиями и разработками по формированию новых, улучшенных свойств у
растений-кандидатов для выращивания биомассы и поиску новых видов сырья. Среди
современных научно–технических разработокнаиболее перспективны следующие
методические подходы:
получение новых сортов энергетических культур на основе применения генноинженерных методовдля лучшения свойств биомассы;
создание плантаций быстрорастущего леса на основе генетической инженерии
(возможно промышленное выращивание «быстрого леса» на пустующих землях);
развитие технологий использования микроводорослей в качестве перспективной
биомассы;
разработка проблемы применения биотопливных элементов ("biofuel cells");
совершенствование работы биологических коллекций как потенциала для
биоиндустрии, а также создание профильных биоресурсных центров с ориентацией на
биоэнергетику.
Новые технологии и источники сырья для биомассы в растениеводстве
11
Среди различных видов сырья значительными преимуществами перед другими видами
биомассы для производства биоэтанола обладает лигноцеллюлоза, обеспечивая более
высокий выход энергии при переработке и меньшие производственные издержки.
В то же время, применение биоэтанола на основе лигноцеллюлозы в качестве достойной
альтернативы традиционным видам моторного топлива зависит от достижения
значительного прогресса в сфере биотехнологии растений. Необходимо более подробно
остановиться на анализе последних мировых достижений в области получения биомассы с
улучшенными свойствами для производства биотоплив 2-го и 3-го поколения.
Энергетические культуры
Многолетние растение как биоэнергетическое сырье являются важнейшим источником
лигноцеллюлозной биомассы.В США важнейшим источником сырья для биоэнергетики
является просо, так как эта культура там повсеместно распространена, обеспечивает
высокую эффективность по биомассе, обладает также высокой фотосинтетической С-4
эффективностью и рационально потребляет воду и азот. Урожайность просо составляет 1025 ц/га/в год в зависимости от широты, удобрений и других факторов.
Гибрид Мискантус, включая Мискантус гигантский, еще одно многолетнее растение,
которое используется как биомасса для биоэнергетики, особое предпочтение ему отдается в
Европе.В то же время Мискантус гигантский – это стерильный триплоидный клон с
вегетативным размножением.Как и просо, это также С-4 многолетнее растение,
обладающее в полной мере и другими преимуществами проса.При этом Мискантус
демонстрирует большую устойчивость к низким температурам и поэтому лучше
произрастает в высоких широтах. Урожайность Мискантуса гигантского, по некоторым
данным, составляет от 7 до 38 ц/га/в год и потенциально он лучше усваивает азот, чем
просо.
Еще одним видом биоэнергетического сырья являются древесные растения, в том числе
гибридный тополь, ива и сосна.Гибридный тополь является модельным видом биомассы
для биоэнергетики, поскольку он широко распространен, быстро растет, уже произведен
сиквенс его генома и разработаны технологии его трансформации.
Биомасса, которую способен аккумулировать гибридный тополь составляет, по разным
оценкам, от 7 до 20 ц/га/в год, в зависимости от условий произрастания и удобрений. С
точки зрения производства биомассы, просо и гибрид Мискантуса обеспечивают больший
ее объем, чем гибридный тополь,.Принимая во внимание тот факт, что короткая ротация
для деревьев составляет 5 лет, необходим определенный временной период до того, как их
можно использовать в качестве сырья, при этом пригодна только древесная часть.Никаких
преимуществ по условиям хранения древесная биомасса, по сравнению с растительной, не
имеет. Тем не менее, целесообразно выращивать и использовать биомассу различного
вида, исходя из географических условий и почвенных, агрокультурных, экономических и
биологических региональных особенностей. Имея в виду значительные премущества,
которые обеспечиваются многолетними растениями, основные усилия для целей
биоэнергетики необходимо направить на селекцию и выращивание многолетних культур.
Растения для биодизеля
В умеренных широтах однолетние масличные культуры, такие как соя (Glycine max), рапс
(Brassica napus) и подсолнечник (Helianthus annuus) - все используются в качестве сырья
для производства биодизеля. В условиях тропиков для этих целей с успехом применяется
масло пальмового дерева (Arecaceae).Для производства биодизеля в регионах с умеренным
климатом использование пальмового масла нерентабельно из-за высоких транспортных
расходов, при этом оно имеет положительный чистый энергетический баланс.Для сои,
12
рапса и подсолнечника выход энергии из зерна/семян составляет около 10-40 ГДЖ/га/год,
что значительно ниже, чем уровень энергии, обеспечиваемый лигноцеллюлозной
биомассой – 200-500 ГДЖ/га/год.Из этого следует, что спрос на биомассу легноцеллюлозы
будет быстро расти.
Есть и другие альтернативные виды растений-кандидатов для получения сырья для
биоэнергетики, например, зерновые культуры (например, сахарное сорго), рыжик
(Camelina), травы (например, бородач -big bluestem), деревья (например, ива) и водоросли.
Водоросли – перспективное сырье для биоэнергетики
На перспективу зеленые водоросли будут широко использоваться для производства
водорода, масла для биодизеля и даже как биомасса для производства биоэтанола, в
зависимости от того, насколько будут успешны работы в области разработки
соответствующих технологий. Водород считается наиболее важным биотопливом третьего
поколения и может быть источником различных видов энергии.
Водоросли для производства биомассы получают путем разведение на специальных
морских плантациях фитопланктона или микроводорослей (биомасса 3-го поколения).
Фитопланктон – микроорганизмы, клетки которых во многом сходны с клетками наземных
растений, однако по продуктивности и “масличности” фитопланктон намного превосходит
традиционные технические культуры. Годовой объем синтезируемого масла с
фитопланктонной плантации может достигать 15 тыс.л/га - в 10 раз больше, чем у рапса.
Кроме того, водоросли дают урожай не раз в год, а фактически ежедневно.
Водоросли не нуждаются в плодородных почвах, их можно культивировать в морской воде
или в сточных водах, а в холодных регионах – возможно их выращивание в горячих
озерах, охлаждающих тепловые электростанции.
Переработка биомассы из микроводорослей - осуществляется в биореакторах и закрытых
резервуарах, что значительно меньше вредит окружающей среде, чем традиционное
сельскохозяйственное производство.
13
1.4. Биоэнергетика: природоохранные, экологические и экономические аспекты
Чистый энергетический баланс при использовании различных технологий.
Чистый энергетический баланс (NEB) - важнейший показатель, который должен служить
определяющим фактором при разработке технологии, поскольку только высокий
положительный NEB может обеспечить экономическую и экологическую устойчивость.Для
определения целесообразности больших инвестиций, которые, как правило, требуются для
реализации биотехнологических проектов особенно важен правильный выбор культур и
технологий по конверсии биомассы.
Даже если экономически производство биоэтанола из крахмала зерновых и биодизеля в
настоящее время и конкурентоспособно бензину, их показатель NEB значительно ниже или
даже отрицательный, по сравнению с NEB топлива на основе лигноцеллюлозы.
Если биомассу лигноцеллюлозы с высокой эффективностью конвертировать в биоэтанол,
то возможно достичь показатель NEB на уровне 600 ГДЖ/га/год, и это будет самый лучший
показатель NEB среди всех видов топлива 1-го и 2-го поколения.Предпринимаемые в
настоящее время усилия по строительству биозаводов по переработке лигноцеллюлозной
биомассы – первый шаг на пути реализации этого потенциала.Для дальнейшего успешного
продвижения необходима разработка технологий по снижению сопротивления клеточной
стенки и создание новых биокатализаторов для повышения эффективности процесса
переработки.
Среди различных энергетических культур наиболее высокий показатель NEB
демонстрируют просо, Мискантус и сорго.
Экологические и природоохранные преимущества, обеспечиваемые биомассой
различного вида
С точки зрения экологических и природоохранных преимуществ, а также перспективности
сельскохозяйственного производства каждый вид биомассы имеет свои “за” и “против”.
Определенные преимущества производства этанола из кукурузы и биодизеля из сои,
очевидные в краткосрочной перспективе, оборачиваются своей противоположной стороной
в долгосрочной перспективе, поскольку культивирование этих растений наносит ущерб
экологии.Напротив, такие многолетние культуры, как просо помогают снижать эрозию
почвы, улучшать качество воды, поддерживать биоразнообразие. При этом производство
биомассы на основе многолетних растений комплементарно, а не конкурентно
сельскохозяйственному производству продуктов питания и кормов.
Глобальное потепление и биоэнергетика
Использование возобновляемой биомассы на основе сельскохозяйственных культур для
производства биоэнергии может компенсировать недостатки ископаемого топлива, и
перспективно в условиях глобального потепления.
Под компенсацией понимается не только сокращение выбросов углерода в атмосферу, но и
способность корневой системы многолетних культур при выращивании биомассы
поглощать углерод.
Например, способность Мискантуса гигантского фиксировать двуокись углерода достигает
5,2 – 7,2 т С/га/год, что обеспечивает отрицательный углеродный баланс, когда в атмосферу
выбрасывается меньше двуокиси углерода, чем фиксируется растениями.
В недавно проведенных исследованиях таких культур, как просо, соя, люцерна, гибридный
14
тополь и канареечник тростниковидный было показано, что только тополь и просо
обеспечивают отрицательный углеродный баланс (фиксацию углерода на уровне 2 т
С/га/год). В то же время, в недавноопубликованных данных было показано, что
использование технологии производства этанола первого поколения ведет к значительно
большей эмиссии, чем применение ископаемого топлива. В соответствии с результатами
еще одного исследования, биоэтанол на основе лигноцеллюлозы, даже самого высокого
качества, будет обеспечивать положительный углеродный баланс. Эти противоречивые
оценки объясняются применением различных методик и моделей расчетов и оценок
эмиссии и фиксации углерода.
Несмотря на все отмеченные различия в точках зрения, все-таки достигнут консенсус в том,
что биоэтанол 2-го поколения на основе лигноцеллюлозы обеспечивает более низкий
углеродны баланс, по сравнению с биотопливами первого поколения. Усиление
способности многолетних растений к увеличению биомассы корневой системы,
аккумулирующей углерод, будет важнейшей задачей для достижения более высоких
показателей фиксации углерода.
Экономические аспекты
До недавно достигнутого ценового пика на нефть производство биотоплива имело
незначительную рентабельность. В 2005 г. стоимость производства этанола из кукурузы в
объеме, эквивалентном по энергии 1 литру бензина (EEL) в 2005 г. составляла 0,48 USD, а
стоимость бензина - 0,46 USD за литр. Однако недавний взлет мировых цен на сырую
нефть сделал производство этанола из кукурузы очень выгодным. Подобная же ситуация и
с биодизелем: стоимость биодизеля, произведенного на основе сои за объем,
эквивадентный по энергии 1 л дизельного топлива, составляла в 2005 г. 0,55 USD.
Несмотря на потенциальную прибыльность производства биотоплива на основе
сельскохозяйственных культур, это уже сейчас породило проблему конкуренции между
пищевой промышленностью и биоэнергетикой за сырье, и как результат недавнего скачка
цен на сырую нефть, произошло инфляционное возрастание мировых цен на продукты
питания, корма и сопутствующие продукты. Поэтому существует острая потребность в
переходе на производство биотоплива на основе лигноцеллюлозы, но современные
технологии производства не могут обеспечить его прибыльность.Цена этанола на основе
лигноцеллюлозы в настоящее время находится в диапазоне 0,7-1,0 USD за литр (по EEL).
Тем не менее, по мере совершенствования технологии и создания генномодифицированных культур, способных к большей урожайности и обладающих сниженной
сопротивляемостью клеточной стенки, стоимость этанола из лигноцеллюлозы значительно
уменьшится и составит конкуренцию биоэтанолу из кукурузы.В результате недавно
проведенного расчета безубыточности цены производства, было показано, что просто
является более прибыльной культурой, чем сорго и кукуруза. Конкурентоспособность
лигноцеллюлозы как надежного источника сырья для биоэнергетики будет зависеть от
успехов и достижений в области биотехнологии, которые позволят сократить стоимость и
повысить эффективность переработки биомассы данного вида.
15
1.5. Производственная и материальная база, инфраструктура биоэнергетики
Производство качественного биотоплива, равно как и его эффективное сжигание, требуют
внедрения новых технологий. К настоящему времени в мире вопросы создания и
масштабного производства устройств для использования в биоэнергетике решены в
соответствии с современным научно-техническим уровнем.
Зарубежные наработки в этой сфере далеко не всегда могут быть без адаптации перенесены
на российскую почву, а высокая стоимость импортного оборудования часто делает
российские биоэнергетические проекты нерентабельными.
Спрос формирует предложение, и в настоящее время в России уже есть целый кластер
научных коллективов и производственных, консалтинговых, инжиниринговых компаний,
которые осуществляют разработку отечественных биоэнергетических технологий и
изготавливают соответствующее оборудование.
Сегодня российскими узлами и агрегатами можно укомплектовать практически любой
завод по производству топливных гранул или брикетов. Выпускаются качественные котлы,
позволяющие эффективно сжигать гранулы и брикеты.
В последнее время на рынке появляются весьма оригинальные отечественные разработки,
касающиеся технологий подготовки сырья, транспортировки биомассы, технологий
производства моторного биотоплива.
Например, ООО «ТехЭкспресс» предлагает
минизаводы по производству биодизеля из рапса производительностью от 100 т рапса в
год, выход масла от 340 л из 1 т рапса. В состав минизавода входят пресс и камерный
фильтр, после фильтрации через который готовое рапсовое масло можно заливать в
топливный бак. Себестоимость биодизеля собственного производства в хозяйстве будет
намного ниже стоимости дизельного топлива, которое используется в
сельскохозяйственной технике.
Что касается биогазовых установок, то необходимо отметить, что в России нет никакой
программы стимулирования строительства биогазовых установок. Cерийное производство
биогазовых установок, даже небольших, пока не налажено, за исключением
компании «БиоГазЭнергоСтрой», использующей модифицированную немецкую
технологию.
Вместе с тем на внутреннем рынке имеются модели малых биогазовых установок
отечественного производства, предназначенные для использования в личных подсобных и
фермерских хозяйствах. Средиотечественных технических предложений можно отметить
биогазовые установки следующих компаний: ЗАО "Центр ЭкоРос", ООО "Гринтек", ОАО
"Волжский дизель имени Маминых", ООО "Мелькомпинжинеринг", ООО "Сибирский
институт прикладных исследований", ЗАО "Энерг-биогаз", ОАО "Концерн КОНАТЭМ",
АО "ВНИИКОМЖ" и др.
Проблемы и перспективы биоэнергетического машиностроения - это прежде
всего, дефицит и дороговизна инвестиционных ресурсов, столь необходимых для
осуществления достаточных объемов НИОКР, финансирования операций, развития
производственных мощностей. Кроме того, отрасль испытывает нехватку
квалифицированных кадров.
16
Важнейшим приложением научных исследований и разработок является решение
инфраструктурных проблем биоэнергетики. Необходимо, прежде всего, сосредоточить
усилия на разработке экономически целесообразных способов и технологий
транспортировки жидких форм биопродуктов, особенно в условиях обширной территории
России, поскольку использование для этих целей существующих трубопроводов не
представляется возможным. Не менее важно разрабатывать технологические решения по
обеспечению оптимальных средств и условий транспортировки и хранения сухого и
влажного сырья.
В решении инфраструктурных проблем представляется целесообразным разработка
интегрального подхода (с оптимизацией для каждого вида сырья), обеспечивающего весь
комплекс процессов, начиная с выращивания и заготовки сырья, производства и
переработки биомассы и до транспортировки и дистрибуции готовых продуктов.
17
1.6. Кадровый потенциал сегмента биоэнергетики
Для успешного развития биоэнергетики необходимо обеспечить развитие кадрового
потенциала, в связи с этим возникает потребность в прогнозировании рынка труда в сфере
биоэнергетики,формировании перечня необходимых специальностей и пргнозировании
требуемого количества специалистов, создание учебных центров, проведение конференций,
симпозиумов и выставок. Важнейшими составляющими деятельности по формированию
кадрового потенциала биоэнергетики являются разработка учебных планов и
образовательных программ, интернет образование, подготовка и переподготовка кадров,
привлечение и закрепление на предприятиях и организациях отрасли талантливой
молодежи.
Развитие биоэнергетики в аграрном производстве затрагивает все этапы производства
сельскохозяйственной продукции. Для получения возобновляемых источников энергии
вводятся в культуру новые виды растений (слоновья трава), агрономы-селекционеры
выводят специальные сорта (рапс). С целью получения для биоэнергетики растительного
сырья оптимального качества требуется разработка специальных технологий возделывания
культур.
Биоэнергетика предъявляет свои требования и для животноводства. Для использования
отходов этой отрасли в качестве источников энергии требуется разработка технологий
содержания животных с учетом требований к качеству навоз (помета), методов его уборки
и хранения.
В настоящее время учебные заведения аграрного профиля готовят технологов в области
агрономии, зоотехнии, технологов и инженеров сельскохозяйственного производства.
Однако при подготовке бакалавров и магистров в перечисленных образовательных
направлениях не предусмотрены компетенции и соответственно дисциплины,
обеспечивающие способность выпускников развивать новое направление аграрного
производства – биоэнергетику.
С целью подготовки кадров для этого направления целесообразно разработать
магистерские программы по биоэнергетике. Такие программы, на первом этапе, могут
базироваться на основе существующих направлений бакалавриата: 110400 Агрономия,
110 800 Агроинженерия, 111100 Зоотехния, 110900 Технология производства и
переработки сельскохозяйственной продукции, 140100 Теплоэнергетика и теплотехника,
140400 Электроэнергетика и электротехника.
Магистерская программа по биоэнергетике на основе бакалаврских программ по
направлениям 110400 Агрономия, 111100 Зоотехния и 110900 Технология производства и
переработки сельскохозяйственной продукции, должна дать возможность выпускнику
разрабатывать инженерные проектные решения получения энергии из растительного и
животного сырья и отходов растениеводства и животноводства.
Магистерская программа на основе бакалаврской программы по направлению 110800
Агроинженерия, 140100 Теплоэнергетика и теплотехника, 140400 Электроэнергетика и
электротехника должна предусматривать подготовку студента в области технологии
производства продукции растениеводства и животноводства с учетом потребностей
биоэнергетики.
В настоящее время учебные дисциплины, обеспечивающие выпускников вузов знаниями в
области биоэнергетики возможно включать в учебные планы бакалаврских программ
вышеуказанных направлений в качестве дисциплин нового профиля «Биоэнергетика».
18
С развитием биоэнергетики в стране, для обеспечения отрасли
высококвалифицированными кадрами, необходимо будет открыть новое направление
«Биоэнергетика» и разработать для этой цели новую образовательную программу.
19
1.7. Барьеры и драйверы развития биоэнергетики
Барьеры и недостатки, препятствующие развитию:
 Недостаточная промышленная база для развития сегмента биоэнергетики.
 Неразвитость внутреннего потребительского рынка биотоплив.
 Недостаточная законодательная база. Отсутствие налоговых преференций для
сегмента биоэнергетики.
 Исторически сложившаяся ориентация на добычу и сбыт традиционных
энергоносителей.
 Слабо развитая инфраструктура для производства и сбыта моторных биотоплив.
 Недостаточная поддержка со стороны государства инновационного бизнеса и
предпринимательства (особенно «старт-апов»).
 Неразвитая система эффективной взаимосвязи между научными коллективами и
разработчиками технологий, с одной стороны, и бизнесом, имеющим потребность в
разрабатываемых технологиях, с другой стороны.
 Слабо развитая внутренняя научная среда. Отсутствие эффективных
коммуникационных и информационных ресурсов для профессионального и
научного сообщества.
 Недостаточная интегрированность российских ученых в международные программы
по биоэнергетике.
 Высокая востребованность инвестиций и источников финансирования (особенно
научных проектов).
 Несформированность у производителей понимания экономической
целесообразности производства биопродуктов, способных обеспечивать высокую
добавленную стоимость.
Возможности и драйверы развития:
 Наличие значительного ресурсного потенциала по биомассе;
 Быстрый рост энергопотребления, растущая потребность в автономном обеспечении
электричеством и теплом отдаленных территорий и аграрных районов ;
 Необходимость формирования новых рынков инновационных продуктов;
 Высокая добавленная стоимость при производстве биотоплив из возобновляемого
сырья;
 Возможность развития инновационного сегмента промышленности,
обеспечивающего рабочие места ( в том числе в сельских регионах); усиление
региональной экономики;
 Хороший научный задел практически по всем основным направлениях развития
биоэнергетики.
 Разработка и внедрение новых технологий; налаженная система подготовки
высокопрофессиональных кадров;
 Потребность в масштабной утилизации промышленных, муниципальных и
сельскохозяйственных отходов;
 Защита окружающей среды и сокращение вредного воздействия на экологию.
20
2. БИОЭНЕРГЕТИКА – ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПРИОРИТЕТ РАЗВИТИЯ
РОССИЙСКОЙ ЭКОНОМИКИ
2.1. Состояние законодательства, последние государственные инициативы
Биоэнергетика входит в число приоритетных разделов государственной координационной
программы развития биотехнологии в РФ до 2020 года (Программа "БИО-2020"). Этой
проблеме придается также большое значение в региональных программах развития
биотехнологии.
Как важнейшее направление возобновляемой энергетики, развитие биоэнергетики в РФ
предусмотрено базовыми документами:
- Энергетической стратегией России на период до 2030 года (утверждена
Правительством РФ 13.11. 2009 г. № 1715-р),
- Государственной программой РФ "Энергосбережение и повышение энергетической
эффективности на период до 2020 года" (утверждена Правительством РФ 27.12. 2010
г. № 2446-р) и др.
Нерешенные проблемы и недостатки в законодательном регулировании сегмента
биоэнергетики
Комплексное решение ряда актуальных проблем связано с необходимостью немедленного
снятия регуляционных барьеров развития биоэнергетических технологий, включающее:
Законодательные и нормативно-правовые акты, систему технических регламентов и
стандартов, прежде всего, в сфере экологического, энергетического, международного права
и технического регулирования, необходимых для становления и развития
биоэнергетической отрасли.
Введение новых норм должно быть основано на транспарентности и обоснованности их
применения, что потребует участия бизнеса, науки и органов государственной власти в
обоснованной, согласованной и долговременной программе развития правового
регулирования данной сферы деятельности.
Необходимо обеспечить меры по поддержке энергетической утилизации отходов. Для чего
принять законодательные и нормативно правовые акты поэтапного введения
запретительных мер на применение технологий и производств в сельском и коммунальном
хозяйстве, лесной, пищевой отраслях и других видах экономической деятельности источниках биологических отходов без их полной утилизации.
Необходимо принять биоэнергетическую программу федеральных ведомств
(Министерство обороны, юстиции, внутренних дел и ЧС), обеспечивающую применение
биоэнергетических технологий для энергоснабжения соответствующих объектов.
Для поддержки биоэнергетики и производства моторных биотоплив и их компонентов
необходимо принять законодательные и нормативно правовые акты обеспечивающие:
ного
денатурированного этилового спирта,
21
из возобновляемого сырья.
В энергетической сфере необходимо применение норм, обеспечивающих полную
биоутилизацию отходов энергетических производств и аварий, а так же предотвращающих
вредное антропогенное воздействие на окружающую среду за счет применения
биоразлагаемых сорбентов и других биологических средств борьбы с загрязнениями.
Совершенствование законодательного регулирование в области биоэнергетики станет
стимулирующим фактором развития широкомасштабного производства биопродуктов и
формирования устойчивого потребительского спроса на них, что, в свою очередь, будет
активизировать научную деятельность, нацеленную на разработку и внедрение новых
технологий.
22
3. СТРАТЕГИЧЕСКИЕ ЦЕЛИ И ПЛАН РАЗВИТИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ В
ОБЛАСТИ БИОЭНЕРГЕТИКИ
3.1. Приоритетные направления научных исследований в области российской
биоэнергетики, имеющийся научный задел.
Основные направления развития отечественной биоэнергетики, определенные как
приоритетные в Стратегии «БИО-2020»:
 Генерация тепловой и электрической энергии из биомассы.
 Получение биотоплива (биодизель, биоспирты, биогаз, пеллеты и др.).
 Утилизация органических отходов с выработкой энергии и топлива, в т.ч.
утилизация отходов и ликвидация аварий энергетической отрасли методами
биоконверсии.
 Широкомасштабное производство биомассы как сырья для биоэнергетики.
 Развитие биоэнергетического машиностроения.
Приведенные векторы развития формируют следующие актуальные направления НИОКР:
Генерация тепловой и электрической энергии из биомассы
Предусматривается создание высокоэффективных технологий производства локальной
тепловой и электрической энергии из биомассы и отходов ее содержащих, а также
формирование опытно-промышленной и экспериментальной базы, необходимой для
внедрения биоэнергетики в различных регионах страны.
Фундаментальные поисковые исследования:
процессов живых организмов и клетки, создание искусственных и гибридных
бионаноэнергетических систем, изучение механизмов создания, накопления и
переноса энергии на клеточном и субклеточном уровнях, изучение молекулярногенетических основ генерации и передачи энергии в биологических мембранах;
энергии, включая световую и энергоносителей.
Проблемно-ориентированные и прикладные исследования:
скорости процессов и повышения их энергетической эффективности;
ферментационных аэробных систем, работающих в непрерывном
режиме, обеспечивающих максимальную активность микробного сообщества при
разложении биомассы и отходов;
биомассы для повышения их технологичности;
направлений развития биоэнергетики на основе форсайтного анализа и программных
продуктов Международного энергетического агентства (МЭА);
23
в процессов поглощения (утилизации) эмиссии парниковых
газов энергетических и промышленных установок, промышленных и коммунальных
стоков для интенсификации производства непищевой биомассы;
энергетической трансформации биомассы.
Опытно-технологические и опытно-конструкторские исследования:
энергоснабжения на базе анаэробного сбраживания и (био)топливных элементов
мощностью 0,25 - 10 кВт или приводов электрогенераторов малой мощности (1-100
кВт);
сельскохозяйственных отходов.
Инфраструктурные решения:
биоэнергетических центров коллективного пользования.
Биотоплива
Разработка технологий производства и применения биотоплив, которые позволят улучшить
экологческую обстановку за счет снижения токсичных выбросов и повысить
рентабельность сельского и лесного хозяйства, жилищно-коммунального комплекса,
местного транспорта за счет использования локально производимого биотоплива.
Проблемно ориентированные и прикладные исследования:
применения опасных веществ.
Опытно-технологические и опытно-конструкторские исследования:
спектра моторных топлив (бензины, керосин, дизельное топливо и др.) из различной
биомассы непищевого происхождения.
Широкомасштабное производство биомассы как сырья для биоэнергетики
Фундаментальные поисковые исследования:
характеристиками (биоэнергетические культуры и плантации, быстрорастущие
деревья и растения, микроводоросли и др.)
24
Проблемно ориентированные, прикладные, опытно-технологические и опытноконструкторские исследования:
регионах России для развития биоэнергетики;
биомассы и ее использования для получения электроэнергии, тепла, биотоплив и
других продуктов с высокой добавленной стоимостью;
женерии для создания
эффективных типов непищевой биомассы с заданными параметрами содержания
веществ, необходимых для дальнейшего производства из них энергоносителей и
других ценных продуктов для различных отраслей промышленности.
Энергетическая утилизация органических отходов
Создание эффективных технологий переработки отходов биомассы (сельскохозяйственных,
лесных, коммунально-бытовых и др.) с целью решения как вопросов охраны окружающей
среды, так и повышения экономической эффективности хозяйств.
Проблемно-ориентированные и прикладные исследования:
непрерывном режиме, обеспечивающих максимальную активность микробного
сообщества при разложении животноводческих и растительных
сельскохозяйственных отходов.
сельскохозяйственной, пищевой и лесной промышленностей, осадков очистных
сооружений, твердых бытовых отходов для производства энергии, тепла и
биотоплив.
аварий энергетической отрасли методами биоконверсии.
воздействия на окружающую среду энергетической отрасли.
Развитие биоэнергетического машиностроения
Данное направление связано с разработкой технической базы биоэнергетики.
Биоэнергетическое машиностроение обеспечивает отрасль современными
высокотехнологичными устройствами по производству тепловой и электрической энергии
из различных источников биомассы. Особое внимание при этом уделяется
энергоэффективности, экологичности и экономичности оборудования и процессов.
Проблемно ориентированные и прикладные исследования:
Разработка энергетически и экологически эффективных мультитопливных
топочных устройств и технологий сжигания и газификации для биомассы с низкой
температурой плавления и высокой летучестью золы.
Создание биотопливных элементов, а также систем автономного энергообеспечения
производств и жилья с применением биомассы.
25
Исследования и разработки в сфере биоэнергетики, имеющийся научный задел
За предыдущий период научными коллективами, участвующими в программах
технологических платформ Евросоюза и российских государственных программах был
создан определенный научный задел в области биоэнергетики, в том числе в рамках:
 нескольких направлений Федеральной целевой программы «Исследования и
разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса
России на 2007-2012 годы»,
ряда совместных проектов с иностранными партнерами, в т.ч. в рамках программ
ЕС (FP6/FP7):
 Проект FP6 ЕС №548312 BIOCOUP «Совместная переработка
биожидкостей в стандартных нефтехимических установках» («Coprocessing of upgraded bio-liquids in standar drefinery units») 2006-2011 гг.
 Проект FP6 IPHYVOLUTION «Не-термическое производство чистого
водорода из биомассы» («Non-thermal production of pure hydrogen from
biomass») 2009-2010 гг.
 Проект FP7 212180ЕС SUPERMETHANOL «Новые применения глицерина в
биопереработке» (“New uses for glycerine in biorefineries”) 2009-2010 гг.
Проект FP7 227303 Bioliquids-CHP по теме: "Разработка технологии и
создание оборудования для производства энергии из биомассы" (Engine and
turbine combustion of bioliquids for combined heat and power production) на
2008-2011 гг.
 следующих фундаментальных и прикладных НИОКР:
 «Создание научных основ сопряженных процессов получения биотоплив из
липидных производных биологического происхождения»
 «Прямое окисление синтез-газа в среднетемпературном топливном
элементе, входящем в состав энергохимического кластера для превращения
попутного нефтяного газа в синтез-газ» 2009-2011
 Программа РАН «Химические проблемы энергетики» 2009-2011.
«Научные основы технологий выращивания и переработки нового вида
целлюлозосодержащего сырья – Мискантуса китайского», МИП СО РАН
№73, 2009-2011.
 «Разработка технологии для получения биодизельного топлива». 2009-2011
гг.
26
3.2. Направления фундаментальных исследований в области биоэнергетики,
признанные наиболее актуальными на мировом уровне.
3.2.1. Исследования в области биотехнологии растений для биоэнергетики
Разработка новых перспективных биотехнологических методов и технологий позволит
решить проблему снижения себестоимости производства биотоплива и особенно
биоэтанола на основе лигноцеллюлозы.
Ключевыми направлениями исследований в этой области являются разработка технологий
ускоренного окультуривания растений, преодоления устойчивости клеточных стенок к
гидролизу для высвобождения сбраживаемых сахаров, эффективного измельчения
целлюлозы, повышения выхода биомассы и уровня масличности для целей производства
биоэтанола и биодизеля соответственно.
Биотехнология
Идентификация генов
Геномика
Геномный сиквенс
биоэнергетических культур
Функциональная
геномика
Микробные целлюлазы
и целлюлосомы
In planta
экспрессия
ферментов,
расщепляющих
клеточные
стенки
Регуляция
биосинтеза
лигнина
Геномный сиквенс
модельных видов растений
Сравнительная
геномика
Функции генов
биоэнергетических культур
Регуляция
роста
растения для
наращивания
биомассы
Усиление
абиотического стресса
Инжиниринг
биогенеза и
деградации
клеточной
стенки
Геномные и генетические
исследования
Функции генов модельных
видов растений
Мужская
стерильность и
другие способы
предотвращения
бесконтрольного
распространения
трансгенов
Увеличение
производства
масел и
сахаров у
растений
Создание
новых видов
многолетних
растений
ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ
НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАЗРАБОТОК
Рис. 2. Геномные исследования в области биоэнергетики.
Успех научных изысканий в области биотехнологии растений в значительной мере зависит от
степени изученности генома. На рисунке представлена последовательность шагов от
фундаментальных исследований генома и идентификации новых генов до прикладных
биотехнологических исследований и разработок в сфере биоэнергетики. Таким образом,
информация, полученнная на уровне геномных исследований (на схеме обозначено зеленым цветом)
обеспечивает открытие новых генов (желтый цвет), что при помощи биотехнологических
подходов может использоваться для улучшения свойств сырьевых материалов (светло-голубой
цвет). Помимо биотехнологии растений, на схеме темно-синим обозначены научные исследования
микроорганизмов, также имеющие большое практическое значение.
3.2.2. Модификация биосинтеза лигнина
Лигнин является основной молекулой, которая нуждается в модификации для придания
27
лигноцеллюлозе новых полезных свойств.Было показано, что сокращение уровня
биосинтеза лигнина будет снижать сопротивление клеточной стенки и повышать
эффективность осахаривания.Недавно проведенные исследования показали, что в
отношении модификации лигнина необходимо учитывать две основные особенности. Вопервых, важность представляют в равной степени и содержание лигнина в биомассе и его
структура (распределение). Они взаимозависимо влияют на эффективность процесса
фракционирования лигнина в процессе биотоплива, при этом более равномерная структура
могла бы значительно облегчить деградацию клеточной стенки. Во-вторых,
этаппредварительной обработки биомассы может быть даже исключен, если содержание
лигнина будет ниже критического уровня, в этом случае для повышения эффективности
расщепления клеточной стенки необходимы технологии, которые могли бы усиливать
процессы ферментативного осахаривания и брожения.
Для целенаправленной модификации биосинтеза лигнина в многолетних травах, пригодных
для биомассы, требуется дальнейшее изучение этого процесса у однодольных растений.
3.2.3. Генетическаятрансформация in planta: экспрессия целлюлаз и целлюлосом
Клеточные стенки растений могут быть разрушены как отдельными ферментами целлюлазами, так и комплексно – целлюлосомами, включающими ряд
ферментов.Генетическая трансформация, влияющая на экспрессию целлюлаз и целлюлосом
и обеспечивающая тем самым ферменты, необходимые для расщепления клеточной стенки,
может потенциально сократить расходы на проведение ферментативного осахаривания
лигноцеллюлозной биомассы на биоперерабатывающих комбинатах.
Эффективность повышения экспрессии свободных целлюлаз и целлюлосом методом in
plantaвсе еще вызывает противоречивые оценки специалистов, т.к. сам процесс
расщепления осложняется субклеточной локализацией ферментов, гликозилированием
экстрацеллюлярных протеинов, необходимостью подбора эффективной комбинации
ферментов, а также исключением преждевременного расщепления клеточной стенки,
вероятном при принудительной экспрессии.
Несмотря на имеющиеся нерешенные вопросы, предварительные исследования доказали
успешность апопластической экспрессии активной Acidothermus cellulolyticus E1 у
кукурузы и табака. В исследованиях было также показано, что у кукурузы in planta
экспрессия ферментов обеспечивает более высокую эффективность конверсии биомассы.
Было также продемонстрировано, что целевая апопластическая экспрессия Е1 не наносит
никакого ущерба растению, но при этом проявляемая целлюлазой активность в
значительной степени способствует конверсии биомассы после измельчения исходного
сырья. Это происходит в результате иной внутриклеточной локализации ферментов и
действием иного механизма их активации. Например, активируемые при определенных,
довольно высоких температурах ферменты, такие, например, как Е1, в обычных
температурных условиях окружающей среды не наносят ущерба растениям своим
воздействием.Необходимы дальнейшие исследований, чтобы отработать различные
методики in plantaэкспрессии ферментов, оптимизации субклеточной локализации и
наиболее эффективной комбинации ферментов. Необходимы также дополнительные
фундаментальные исследования по модификации целлюлаз с целью повышения
каталитической эффективности, термостабильности, сохранением активности в
экстремальных условиях, а также по модификации протеинов с целью сокращения
апопластического гликозилирования. Многие бактерии, переваривающие клеточную
стенку, используют для этого целлюлосомы – набор ферментов для осуществления
гидролиза клеточной стенки. В трансгенных растениях целлюлосомы пока еще не были
экспрессированы, но правильный подбор целлюлосомных компонентов в апопласте
28
растений потенциально может способствовать снижению сопротивляемости клеточной
стенки и создать благоприятные условия для гидролиза целлюлозы в растительном сырье,
что в свою очередь может обеспечить одновременность прохождения процессов
осахаривания и ферментации.
3.2.4. Устойчивость к абиотическому стрессу.
Неблагоприятный водный режим и другие виды абиотического стресса являются
лимитирующими факторами для производства биомассы. Толерантность к стрессу является
важнейшим свойством, которым должны обладать культуры, выращиваемые на биомассу
на пустующих и неплодородных землях в неблагоприятных условиях, непригодных для
производства растений, предназначенных для производства продуктов питания. Засуха,
холод, жара, повышенная кислотность или засоленность почв, наличие металлов все это
может индуцировать определенные реакции у растений и даже действие каждого из этих
видов стресса индуцирует различные наборы генов. Влияние таких видов стресса, как
засоление и засуха были хорошо изучены и описаны у арабидопсиса (Arabidopsis thaliana),
однако до настоящего времени не было достигнута никакого существенного прогресса в
исследованиях трансляционного уровня, что не позволило пока получить растения,
культивируемые на биомассу, толерантные к абиотическоиму стрессу.
Известно, что значительного повышения устойчивости к холоду и засухе удалось добиться
у табака и картофеля трансформацией гена, кодирующего DREB1A (элемент В1А,
контролирующий ответ на дегидратацию), который приводится в действие промотером
RD29A, индуцирующим гены, ответственные за реакцию на засуху и холод. Растения риса
с индуцированной экспрессией OsNAC6 фактора транскрипции NAC (NAM, ATAF и CUC)типа обладали повышенной устойчивостью одновременно к высокой засоленности почвы и
к патогенам растений.Для понимания эффекта воздействия различных видов абиотического
стресса на энергетические культуры требуются дополнительные исследования.
Генетическую изменчивость различных сортов необходимо изучать как в лабораторных,
так и в полевых условиях, только такой подход может обеспечить правильную тактику
применения селекционных и генно-инженерных методов для улучшения свойств биомассы.
К примеру, просо проявляет широкий спектр фенотипической изменчивости в отношении
устойчивости к холодовому стрессу и нарушению водного режима даже в пределах одного
сорта.Поэтому имеет смысл все эти разновидности включать в программу селекционных
исследовний по улучшению свойств растений, выращиваемых на биомассу.Результаты
фундаментальных исследований должны транслироваться в технологии выращивания
культур в поле, а многочисленные идентифицированные в модельных видах ключевые
гены, контролирующие реакции на абиотический стресс, должны использоваться для
генетической модификации такого растительного сырья для биоэнергетики, как например,
просо и тополь.
3.2.5. Повышение урожайности культур для увеличения объемов биомассы
Невозможно переоценить важность целенаправленного воздействия на рост и развитие
растения для увеличения объемов производства биомассы для биоэнергетики.Учитывая,
что большинство растений-кандидатов для производства лигноцеллюлозной биомассы
являются в той или иной степени дикими, можно сделать вывод о благоприятной
перспективе по достижению быстрых результатов при работе с ними.Прежде всего,
необходимо более детально изучить молекулярный механизм, контролирующий
формирование архитектуры растения. Уже имеющиеся в этой области знания позволяют
создавать биоэнергетические культуры с полезными свойствами, например, низкорослые
сорта с крепким стеблем, высокой устойчивостью к полеганию и высокой урожайностью.
29
Было показано, что данные свойства могут быть получены модификацией путей
биосинтеза и передачи трансдукционного сигнала ключевых фитогормонов, включая GA
(гиббереллиновую кислоту), IAA (индол-3-уксусную кислоту) и брассиностероиды.
Используя геномные подходы биотехнология обеспечивает достижение быстрых
результатов в улучшении свойств растений на биомассу. Например, гены Dgai
(нечувствительности к гиббереллиновой кислоте), контролирующие белки, участвующие в
биосинтезе GA, могут быть встроены в ДНК проса и будут обусловливать низкорослость
растения и утолщение стебля, что позволит облегчить процесс уборки урожая культуры с
наименьшими потерями и увеличить выход биомассы. Помимо этого, за счет
низкорослости увеличивается биомасса листьев и возрастает содержание лигнина.При этом
было показано, что в листьях проса относительное содержание лигнина становится
меньшим, а в стеблях значительно большим.Возрастает содержание целлюлозы, которая
может использоваться как для производства продуктов питания и кормов, так и для
производства этанола.
Одной из главных целей окультуривания тополя является создание низкорослых деревьев –
для достижения этой цели пути синтеза, контролируемые ауксином, GA и
брассиностероидами потенциально могут быть изменены.
Программируемое усовершенствование растений, идущих на сырье для биомассы с целью
увеличения объемов производимой биомассы может развиваться в нескольких
направлениях. Так, например, к увеличению выхода биомассы может приводить отсрочка
начала цветения. Возрастание объемов производства биомассы может также достигаться
генетической модификацией биосинтеза клеточной стенки и ферментов: повышенная
наработка целлюлозной синтазы у тополя приведет к усилению биосинтеза
лигноцеллюлозы. Кроме того, производство биомассы можно также контролировать
применением генно-инженерных методов для модификации соответствующих генов,
ответственных за регуляцию фитогормонов или за рост и развитие растения.
3.2.6. Мужская стерильность у растений и проблема биологического сдерживания
Мужская стерильность – еще одно полезное качество при модификации растений для
получения сырья для биоэнергетики, позволяющее избежать неконтролируемого
распространения трансгенов.Индуцированная мужская стерильность – это один из
основных подходов, обеспечивающих биологическое сдерживание для трансгенов.Мужская
стерильность может быть индуцирована остановкой экспрессии генов, участвующих в
формировании пыльцы или выключением специфичных к пыльце основных генов
метаболизма.
Еще один подход к предотвращению неконтролируемого распространения трансгенов
заключается в регуляции активности специфической пыльцевой рекомбиназы.
Большинство из энергетических культур, таких как просо, в природе имеют диких
родственников, поэтому проблема контроля за распространением трансгенных сортов
является главным лимитирующим фактором для использования генно-инженерных методов
применительно к этим сортам.
Контроль за возможным неконтролируемым распространением трансгенов является
важнейшей проблемой, которую необходимо решить для получения генномодифицированных растений с улучшенными свойствами для биоэнергетики.
3.2.7. Метаболическая инженерия
Метаболическая инженерия призвана сыграть важнейшую роль в совершенствовании
технологий производства биодизеля, биомассы и сахара.Перспективы биодизеля напрямую
30
зависят от успехов применения метаболической инженерии для улучшения содержания и
состава масел в семянах.Ранние исследования масличных культур фокусировались главным
образом на изменении профиля жирных кислот, в основном для пищевых целей.В недавних
исследованиях были поставлены также задачи по усилению выработки липидов на основе
индуцированной экспрессии ключевых генов биосинтеза экзогенных липидов.
Метаболическая инженерия может также помочь добиться увеличения выработки сахара и
крахмала для производства этаноа на основе имеющихся технологий.Например, недавними
исследованиями было продемонстрировано, что сверхэкспрессия бактериальной изомеразы
сахарозы в вакуолях может удвоить содержание сахара в сахарном тростнике.
Метаболическая инженерия может быть также важным инструментом для получения
нетопливных биопродуктов, и эти новейшие биопродукты будут являться неоценимым
долгосрочным результатом широких исследований, проводящихся в настоящее время в
области биотоплива.Если даже предположить, что некоторые виды альнернативного
топлива, производящегося не на основе биомассы, в конечном итоге и могли бы заменить
нефть, но пластмассы и другие биопродукты будут нуждаться в новых видах сырья в
отсутствие нефтяных сырьевых источников.
В целом, имея в виду следующее поколение биоэнергетических продуктов, биотехнология
растений будет играть центральную роль в обеспечении ресурной базы
лигноцеллюлозного сырья из культур с более высокой урожайностью и с лучшей
эффективностью использования воды, обеспечивающих больший прирост чистой энергии,
обладающих такими качествами, как сниженной сопротивляемостью клеточной стенки,
повышенной устойчивостью к абиотическим стрессам, а также улучшающих
экологическую ситуацию за счет лучшей фиксации углерода и сохранности воды и почвы.
31
3.3. Российские прикладные исследования в сфере биоэнергетики (по видам
технологий и продуктов
В настоящее время в ряде высших учебных заведений активизировалась работа по
усовершенствованию внедренных технологий и разработке новых технологических
подходов и методов по производству и переработке высокоэффективной биомассы из
новых видов сырья, оптимизации технологических процессов производства биопродуктов,
созданию пилотных и промышленных установок по производству различных видов
биотоплива и т.д. Ниже, в таблице представлены некоторые из этих работ.
Таблица
ВУЗ
Тема
Цели
ФГБОУ ВПО
«Саратовский ГАУ
им. Н.И. Вавилова»
«Разработка
технологий
выращивания
растительного сырья
для производства
биотоплива».
1. Производство
биотоплива как
альтернативного источника
энергии в
сельскохозяйственном
производстве.
2. Совершенствование
ресурсосберегающих
технологий в сельском
хозяйстве.
3. Устранение загрязнения
нефтепродуктами
окружающей среды.
ФГБОУ ВПО
«Саратовский ГАУ
им. Н.И. Вавилова»
«Повышение
качественных
показателей
биотоплива и
адаптация топливной
аппаратуры к его
использованию».
Федеральное
государственное
бюджетное
образовательное
учреждение
высшего
профессиональног
о образования
АзовоЧерноморская
Технология
производства
биотоплива и
органических
растворителей из
отходов переработки
сельскохозяйственной
продукции.
1. Производство
экологически чистого
биотоплива на основе
сафлорового и рапсового
масел и доведение их
качественных показателей
до уровня требований
стандартов.
2. Адаптация топливной
аппаратуры тракторных
двигателей для работы на
данном биотопливе.
3. Обеспечение стабильной
экологической ситуации в
местах использования
автотракторной техники.
Будет создана технология и
минизавод производства
биотоплива и органических
растворителей из отходов
переработки
сельскохозяйственной
продукции.
Сфера
применения
Сельхозпредприятия АПК
Саратовской области,
Поволжья и России.
Эффект: 1. Стабилизация
энергообеспечения
сельхозпредприятий.
2. Снижение затрат при
выращивании с/х культур
на 30-50%.
3. Ликвидация последствий
влияния нефтепродуктов на
окружающую среду.
4. Согласно данным
Минсельхоза Саратовской
области, ежегодная
потребность только в
дизельном топливе в
области составляет 240 тыс.
тонн на сумму около 5
млрд. рублей. Переход
сельского хозяйства
региона на биотопливо
позволит сэкономить около
200 млн. рублей в год.
Предприятия АПК и
перерабатывающей
промышленности.
Эффект: 1. Полное
автономное обеспечение
сельхозтоваропроизводител
ей экологически чистым
топливом.
2. Ликвидация последствий
влияния выхлопных газов
автотракторной техники на
окружающую среду.
3. Экономия средств 5-7
тыс. руб. в год на 1 агрегат
Крупные предприятия АПК
и перерабатывающей
промышленности.
Эффект заключается в
разработке
микробиологического
способа получения
биотоплива, технология
является безотходной и
экологически чистым видом
Достигнутые
результаты
1. Разработаны отдельные
приемы выращивания
посевов сахарного сорго в
качестве растительного
сырья для производства
биоэтанола и сафлора в
качестве растительного
сырья для производства
биодизеля.
2. Установлены наиболее
пригодные сорта
сахарного сорго, растения
которого имеют
наивысшее содержание
углеводов, и сафлора,
семена которых
накапливают самое
высокое содержание
растительного жира.
Судя по литературным
данным, промышленное
использование сорго и
сафлора при производстве
биотоплива в Поволжье
не применялось.
Спроектированы,
изготовлены и испытаны:
1. Устройство для
ультразвуковой обработки
биотоплива
2. Адаптированная для
работы на биотопливе
топливная аппаратура.
Разработана технология
микробиологического
брожения отходов
переработки
сельскохозяйственной
продукции. Построен
пилотный вариант
минизавода для
производства биотоплива
и органических
32
государственная
агроинженерная
академия (ФГБОУ
ВПО АЧГАА)
производства. Побочные
продукты: барда – идет на
корм КРС и свиней,
водород – перспективный
энергоноситель
растворителей из отходов
переработки
сельскохозяйственной
продукции.
Сельскохозяйственные
производственные и
перерабатывающие
предприятия. Окупаемость
затрат за счет расширения
производства, экономии
средств, составляет не
более 2,5 лет.
Достигнуто
биотехнологическое
обеззараживание отходов
за счет
микробиологической
деструкции, ферментации
в анаэробных условиях с
производством
биологического газа и
органического удобрения.
Теоретические и
экспериментальные
исследования по влиянию
вида и качества
древесного сырья (в т.ч. и
отходов) на качество газа
газогенераторной
установки и ее
производительность
Теоретические
исследования
ФГБОУ ВПО
Башкирский
государственный
аграрный
университет
Биотехнологическое
обеззараживание
органических отходов
аграрного
производства,
получение биогаза и
органических
удобрений
Широкое внедрение
результатов НИОКР в
Республике Башкортостан
ФГБОУ ВПО
Башкирский
государственный
аграрный
университет
Энерго-,
ресурсосберегающие
технологии в лесном
хозяйстве
Разработка
Предприятия лесной
газогенераторной
промышленности,
установки, позволяющий
негазифицированныe
вырабатывать генераторный населенные пункты.
газ из различных отходов
Окупаемость затрат за счет
лесной промышленности с
использования древесных
максимальным КПД
отходов составит около 2
лет.
ФГБОУ ВПО
Башкирский
государственный
аграрный
университет
Разработка
рекомендаций по
эффективному
использованию и
внедрению
биогазовых установок
с учётом особенностей
параметров
сельскохозяйственных
предприятий в
условиях Республики
Башкортостан
«Оценка потенциала
альтернативных
источников энергии»
Разработка рекомендаций по
внедрению и повышению
энергоэффективности
биогазовых установок
Сельскохозяйственные
предприятия
- создание опытной
установки для получения
биогаза
- создание опытной
газогенераторной установки
Сельское хозяйство.
Эффект:
-энергонезависимость
районов и отдаленных
предприятий- снижение
негативного влияния на
экологию
- утилизация отходов
Срок окупаемости: 3 года
Разработка
альтернативной
технологии получения
энергии на
предприятии путем
совместного
использования
газогенераторной
установки и ДВС
электрогенератора на
базе отходов
производства
Использование отходов
ФГБОУ ВПО
«Вологодская
государственная
молочнохозяйствен
ная академия
им.Н.В.
Верещагина»
ФГБОУ ВПО
«Вологодская
государственная
молочнохозяйстве
нная академия
им.Н.В.
Верещагина»
Предприятия
деревообработки
-Разработана методика
оценки целесообразности и
эффективности применения
альтернативных
источников энергии (в том
числе возобновляемых)
учитывающая
производственноэкономические условия
территорий Вологодской
области.
-Проведена оценка
экономической
эффективности
использования
нетрадиционных
источников энергии
Разработка пилотной
установки, заявка на
изобретение
33
ФГБОУ ВПО
«Вятская ГСХА»
пиломатериалов
(опилки, горбыль и
т.д.)
Применение топлив
растительного
происхождения в
автотракторных
дизелях
Разработка теоретических
предпосылок и
практических
рекомендаций для
конвертации
автотракторных дизелей на
спиртовые топлива
ФГБ
образовательное
учреждение
высшего
профессиональног
о образования
«Омский
государственный
аграрный
университет им.
П.А. Столыпина»
Усовершенствование
технологии получения
биодизельного
топлива
Упрощение
технологического процесса
получения биодизельного
топлива, за счет ухода от
необходимости
использования специальных
условий прохождения
реакции (повышенная
температура, давление) и
исключения такого
элемента как очистка
конечного продукта.
ФГБОУ ВПО
«Орловский
государственный
аграрный университет»
Разработка
инновационной
технологии получения
высокачественного
сырья для
производства
биотоплива на основе
принципов
биологизации и
ресурсосбережения
ФГБОУ ВПО
«Орловский
государственный
аграрный университет»
Повышение
эффективности
электроснабжения
потребителей
посредством
совместного
использования
автономных
Будет разработана
инновационная технология
получения
высокачественных
маслосемян ярового рапса
на уровне 2,0-2,5 т/га,
обоснована оптимальная
биоэнергетическая и
экономическая
эффективность
возделывания сортов
ярового рапса для сферы
производства биотоплива.
Разработка системы
автоматического
управления системой
электроснабжения
объектов, включающих
комплекс биогазовых
энергетических установок
и традиционную
Сельскохозяйственная
техника, эксплуатируемая
во всех регионах страны
кроме крайнего севера и
полярных широт. Эффект
заключается в снижении
потребления нефтяного
моторного топлива на 2580 % и снижение выбросов
вредных веществ с
отработавшими газами на
35-50 %.
- отработка новой
технологии производства
биодизельного топлива в
лабораторных условиях;
- создание прототипа
установки по производству
биодизельного топлива;
- внедрение новой
технологии и установки по
производству
биодизельного топлива.
Техническая
промышленность
Энергетический комплекс
Проведены стендовые
испытания ряда
автотракторных дизелей с
теоретическим
обоснованием и
необходимыми
рекомендациями.
Разработка новой
технологии производства
биодизельного топлива с
использованием двух
стадийного катализа
(ферментативного и
кислотного). Получение
положительного
результата, в данном
направлении, позволит
избавиться от присущих
вышеперечисленным
способам недостатков и
упростить как сам
процесс производства
биодизельного топлива,
так и оборудование,
участвующее в этом
процессе. Это уменьшит
себестоимость
биодизельного топлива и
сделает привлекательной
возможность
производства этого
топлива непосредственно
на предприятиях АПК, с
использованием
установок малой
производительности.
НИОКР на стадии
получения первичных
данных и анализа
эффективности
применяемых
технологических решений
Разработаны способы
автоматизации систем
электроснабжения
объектов и подключения
потребителей к
резервному источнику
электроснабжения
34
ФГБОУ ВПО
«Орловский
государственный
аграрный
университет»
биоэнергетических
установок и
традиционных
источников
электроэнергии
Разработка
комплексной системы
воспроизводства
плодородия почв на
биоэнергетической
основе
ФГБОУ ВПО
РГАТУ
Исследование
биологических
свойств
наноматериалов и
разработка на их
основе биологически
активных препаратов
для использования в
сельскохозяйственном
производстве
Федеральное
государственное
бюджетное
образовательное
учреждение
высшего
профессионального
образования
«Рязанский
государственный
агротехнологическ
ий университет
имени П.А.
Костычева»
«Переоборудование и
модернизация
трактора МТЗ-80 для
работы на биотопливе
(на примере рапсового
масла)»
централизованную систему
электроснабжения
Разработка комплексной
Агропромышленный
системы воспроизводства
комплекс
плодородия почв на
биоэнергетической основе,
обеспечивающей
расширенное
воспроизводство
плодородия за счет
повышения биологической
активности почвы и
уменьшения затрат
технологического азота на
формирование урожая
сельскохозяйственных
культур в 1,5-2 раза
Высокоэффективные,
Сельскохозяйственное
безопасные и рентабельные
производство
биопрепараты на основе
наночастиц металлов
Создание опытного
экземпляра трактора МТЗ80, работающего на
биотопливе (рапсовом
масле).
Использование в с/х
предприятиях,
выращивающих рапс и
имеющих мини-цеха по
производству рапсового
масла.
Получаемый эффект:
снижение себестоимости
выращиваемой продукции;
экономия средств на
дизтопливо; годовой
экономический эффект за
счёт снижения затрат на
топливо до 160000 руб. на
один трактор МТЗ-80.
Разработаны практические
приемы
автоматизированного
проектирования
элементов адаптивноландшафтных систем
земледелия на основе
принципов биологизации,
ресурсосбережения и
экологической
безопасности
- определены
оптимальные дозы
наночастиц металлов для
значимых
сельскохозяйственных
культур и животных
- изучено влияние
наночастиц на
химический состав
растений и семян, на
содержание биологически
активных соединений
(витаминов,
водорастворимых
полисахаридов)
- изучено влияние
наночастиц на показатели
роста, развития и
продуктивность
сельскохозяйственных
растений
- изучено влияние
наночастиц металлов на
минеральный, белковый
обмены, ферментную и
кроветворную системы
животных, а также
молочную и мясную
продуктивность.
Разработана
конструкторская
документация на
переоборудование
трактора МТЗ-80 для
работы на биотопливе.
Разработана
конструкторская
документация на
«Универсальный
подогреватель
биотоплива» и на
«Распылитель
безштифтовой форсунки
для масляного
биотоплива».
Изготовлен опытный
образец «Универсального
35
ФГБОУ ВПО
«Смоленская
ГСХА».
Технологический
институт-филиал
федерального
государственного
бюджетного
образовательного
учреждения
высшего
профессионального
образования
«Ульяновская
государственная
сельскохозяйствен
ная академия»
ФБГОУ ВПО РГАУ
МСХА имени К.А.
Тимирязева
ФБГОУ ВПО РГАУ
МСХА имени К.А.
Тимирязева
Сортовая агротехника
– основа
инновационного
процесса
производства рапса и
смешанных посевов
бобовых культур в
условиях
Центрального
Нечерноземья.
Исследования влияния
возобновляемого
топлива на основе
рапсового масла на
техникоэкономические и
экологические
показатели дизельных
двигателей
внутреннего сгорания
Агротехническая оценка
сортов на прогрессивные и
адаптивные технологии
возделывания.
Производство экологически
чистой продукции и
использование в различных
сферах биоэнергетики.
В результате выполненных
НИР получено биотопливо,
отвечающее современным
технико-экономическим и
экологическим
требованиям;
Разработано устройство,
позволяющее готовить
биотопливо с
использованием рапсового
масла.
Перевод автотранспортных
дизельных двигателей на
круглогодичную работу с
использованием биотоплива
в различных отраслях АПК;
Оценка
агроэкологического и
генетического
потенциала
мискантуса в РФ
разработка
ресурсосберегающей
технологии
производства его
биомассы
Оценить агроэкологический
и генетический потенциала
мискантуса в РФ и
разработать
ресурсосберегающие
технологии производства
его биомассы.
Разработка
индивидуального
биоэнергетического
комплекса для
переработки жидких
бытовых и
сельскохозяйственных
органических отходов
с получением
Разработать технологию и
комплект технических
средств (оборудование) для
переработки жидких
бытовых и
сельскохозяйственных
органических отходов
индивидуального жилья
пригородной зоны,
Новая культура мискантус
отличается самым высоким
(до 40т/га) сбором сухого
вещества из широкого
набора других многолетних
травянистых культур,
изучаемых в
стратегических программах
биоэнергетики в ЕЭС.
Биомасса мискантуса
представляет ценный
продукт для производства:
биогаза, биоэтанола,
биодизеля, новых
строительных композитных
материалов, бумаги, обоев
и т.д.
Благодаря методам
биотехнологии потенциал
продуктивности
мискантуса возможно
устойчиво реализовать в
широком ареале
агроэкологических условий
РФ.
Разработанный
индивидуальный комплекс
по переработке
органических отходов
позволит на практике
установить оптимальное
соотношение объемов
отходов с размерами
гидропонных сооружений,
подогревателя
биотоплива» и установлен
на трактор МТЗ-80.
Установлен бак для
биотоплива. Трактор
полностью
переоборудован и готов к
эксплуатации.
Выявлены сортовые
особенности различных
сортов на элементы
технологий в чистых и
смешанных посевах.
Результаты исследования
внедрены в ООО
«Приморье» Мелекесский
район,Ульяновская
область и в ООО «
Агроразвитие»
Нурлатский район
республика Татарстан
36
древеснорастительного сырья,
тепловой и
электрической
энергии
сельской местности и
фермерских хозяйств,
обеспечивающих очистку
сточных вод и производство
древесно-растительного
сырья гидропонным
методом с выработкой
тепловой и электрической
энергии.
производящих топочную
древесину на примере
индивидуального
потребителя.
Планируется разработать
комплекс для фермерских
хозяйств и других
небольших
сельскохозяйственных
производств. Будут
улучшены энергетические
показатели
электрогенератора.
Разработана линия по
механической стрижке и
уборке побегов древеснокустарниковой
растительности
ФБГОУ ВПО РГАУ
МСХА имени К.А.
Тимирязева
Разработка
высокоэффективных
ресурсосберегающих
технологий и
способов выделения
биологически
активных веществ из
растительных отходов
Глубокая переработка
ежегодно возобновляемого
растительного сырья
(отходов при производстве
сельскохозяйственных
культур) с получением
высокоэффективных и
дорогих новых химических
веществ.
На основе модульной
системы предлагается
перерабатывать
растительные отходы,
выделять и
концентрировать
органические компоненты в
зависимости от состава
используемого сырья,
получать с применением
высокоэффективных
экологически безопасных
реакций получать
полупродукты
органического синтеза,
синтезировать новые
вещества.
ФБГОУ ВПО РГАУ
Разработка
технологии и
термохимической
биоэнергетической
установки по
переработке отходов
для автономного
энергоснабжения
предприятий по
производству
продукции
птицеводства.
Разработка технологии и
биоэнергетической
установки для серийного
внедрения на
птицефабриках,
обеспечивающих
утилизацию отходов,
представляющих
экологическую угрозу
окружающей среде, а также
снижение уровня
энергозависимости
предприятий.
Использование
масляно-керосиновых
композиций с добавкой
водороднокислородной смеси к
рапсовому маслу в
качестве топлива для
дизелей
Планируются защита
диссертации, оформление
патента
МСХА имени К.А.
Тимирязева
Федеральное
государственное
бюджетное
образовательное
учреждение
высшего
профессиональног
о образования
«Уральская
государственная
сельскохозяйственн
ая академия»
(ФГБОУ ВПО
Уральская ГСХА)
Сельское хозяйство
Альтернативные виды
топлива для
сельскохозяйственной
техники
Разработка технологий
глубокой переработки
сельскохозяйственного
растительного сырья
(соломы злаковых
культур) и получение
продуктов
(полупродуктов) для
различных отраслей
промышленности
Прогнозируемый эффект:
снижение стоимости топлива;
улучшение экологической ситуац
(на порядок снижаются
вредные выбросы - уменьшение
СО в 10 раз; нет окислов
серы, и др.)
37
ВЫВОДЫ:
В настоящее время разрабатывается широкий спектр технологий по переработке биомассы
и производству биопродуктов с улучшенными характеристиками, при одновременном
снижении производственных издержек и улучшении экологических показателей.
Приоритетом научных исследований является разработка технологий получения и
переработки высокоэффективной биомассы из новых видов сырья для производства
биотоплив 2-го и 3-го поколения.
Важным аспектом усиления инновационной активности является необходимость
расширения деловых отношений и сотрудничество с международными научными,
образовательными и финансовыми организациями.
Для расширения профиля исследований и транслирования новых подходов и методов в
конкретные технологии необходимо обеспечить большую доступность финансовых средств
для поддержки специалистов и изобретателей, проведения научных исследований,
реализации научных и производственных проектов, от которых зависит будущее
биоэнергетики. При этом надо отталкиваться от фундаментальных исследований путей
метаболизма и генов, участвующих в процессе биосинтеза клеточной стенки, росте
растения и синтезе метаболитов.
В исследованиях в области биотоплива необходимо применять методы трансляционной
системной биологии (рис.2).Применением “омикс”-технологий можно обеспечить прорыв в
исследованиях генов, белков и метаболитов различных тканей на различных стадиях
развития для корректировки свойств и структуры клеточной стенки, а также
индентифицировать новые гены, представляющие интерес с точки зрения решения проблем
создания новых сортов растений на биомассу с улучшенными свойствами.
Однако, проблемы биоэнергетики распространяются не только и не столько на изучение
высших растений, хотя именно они обеспечивают основные источники биомассы для
биотоплива 1-го и 2-го поколения.
Важнейшей сферой исследований в области биоэнергетики должны стать микробы,
способные переваривать клеточную стенку растений.Помимо этого, огромный потенциал в
качестве источника биомассы представляют собой водоросли, прежде всего, из-за их очень
быстрого роста.Значительный интерес также представляют собой биотопливные элементы,
это направление обеспечит прекрасные возможности в случае серьезных достижений и
прорывов в области генетической инженерии.
Таким образом, исследования в области биоэнергетики открывают перспективу
неограниченных возможностей по полному переформатированию системы
энергообеспечения.
38
3.4. Предложения к дорожной карте по плану стратегических исследований
Направления развития перспективных сегментов биоэнергетики в России.
При прогнозируемом росте биоэнергетики на основе действующих инициатив и
драйверов развития будут открываться все новые возможности, имеющие огромное
государственное значение.
Реализация этого потенциала потребует государственной поддержки, значительных
инвестиции, консолидации отрасли и активного международного сотрудничества.
Твердое биотопливо – важнейший сектор российской биоэнергетики
Потребность в расширении производства твердого биотоплива напрямую связана с
перспективами развития альтернативной региональной энергетики, формирования
внутреннего потребительского рынка, наращивания экспортного потенциала, а
также c необходимостью решения проблем утилизации отходов ЛПК и улучшения
экологической ситуации.
Вектор развития рынка жидкого биотоплива
Значительное отставание России от мировых лидеров в области производства
моторных биотоплив предоставляет шанс для оперативного решения задачи
создания индустрии экспортоориентированного производства биотоплив 1-го
поколения и удовлетворения стремительно растущего спроса на биотоплива на
фоне дефицита биомассы в энергозависимых странах.
Одновременно планируется приступить к реализации стратегической цели организации масштабного производства и формирования внутреннего рынка
биотоплив 2-го и 3-го поколения.
Производство биогаза – приоритет развития автономной биоэнергетики
в регионах
Развитие биогазового сегмента выглядит наиболее перспективным в силу того, что
он не требует масштабных инвестиций в организацию производства, обеспечен
ресурсной базой и отечественными технологическими решениями, создает условия
для эффективного роста сельских регионов и агропромышленных предприятий,
решает комплекс социальных и экологических проблем.
ФАЗА I
Краткосрочная перспектива (до 2013 г.)
• Усовершенствование существующих технологий
39
• Целевые научные исследования и разработки в области биотоплив 2-го поколения
(из лигноцеллюлозы) и 3-го поколения (из водорослей);
• Организация производства биотоплив 1-го поколения.
ФАЗА II
Среднесрочная перспектива (2014 – 2020 гг.)
• Внедрение в производство технологий биотоплив 2-го поколения;
• Продолжение исследований и разработок по совершенствованию технологий
биотоплива 3-го поколения и созданию интегрированных биоконверсионных
производств;
• Совершенствование технологий выращивания энергетических культур и внедрение
инновационных подходов в сельском хозяйстве.
ФАЗА III Долгосрочная перспектива (после 2020 г.)
• Крупномасштабное производство биотоплив 2-го поколения, создание
интегрированных биоконверсионных комплексов.
• Внедрение в производство технологий биотоплива 3-го поколения.
40
41
ПРИЛОЖЕНИЯ
42
Приложение 1: Состояние фундаментальных и прикладных исследований в
области биоэнергетики в мире
43
Приложение 2: Приоритеты и перспективы научного и технологического
развития в мире
44