В небо на соломе: как отходы сельского хозяйства превращаются в топливо и графит

Ежегодно в сельском хозяйстве около 140 млрд т биомассы становятся отходами, которые можно использовать для производства удобрений, кормов для животных или биотоплива. Однако используется лишь около 40% этой огромной массы. Все остальное либо выбрасывается, либо сжигается прямо на полях. Если прибавить отходы лесного хозяйства и деревообрабатывающей промышленности, картина становится еще более удручающей. 
Эти отходы могут нанести вред окружающей среде. Так, в России свежий свиной навоз и птичий помет относятся к умеренно опасным отходам (третий класс опасности). Кроме того, выбрасывать на ветер такое количество органики просто расточительно. Так, в годовых отходах свинокомплекса численностью 100 000 голов запасено столько же энергии, сколько в 65 000 куб. м природного газа. 

Углеродный пинг-понг

У биотоплива есть важное преимущество перед ископаемым топливом: оно не провоцирует глобальное потепление. Разберемся, почему так происходит. Температура на поверхности Земли зависит от количества углекислого газа в атмосфере. Концентрацию этого газа определяет естественный круговорот углерода, в котором участвует земная кора, океан, атмосфера и живые организмы. Важная часть этого цикла — обмен углеродом между атмосферой и биосферой. Растения поглощают углекислый газ при фотосинтезе и запасают углерод в собственных телах. Дыхание и гниение возвращают CO₂ в атмосферу. 
Уголь, нефть и газ содержат гигантские массы углерода. Он был изъят из оборота и захоронен сотни миллионов лет назад. Сжигая ископаемое топливо, мы возвращаем эти запасы в естественный цикл, причем немыслимыми по геологическим меркам темпами. То, что копилось в недрах десятки и сотни миллионов лет, человечество выбрасывает в атмосферу за какие-то столетия. Пусть этот углерод не нов для Земли, его «никто не ждал» в нашу геологическую эпоху. Ничего удивительного, что уровень CO₂ стремительно растет, а с ним и температура.
Напротив, сжигая пшеничную солому, мы возвращаем атмосфере углерод, который пшеница «взяла у нее в займы» всего несколько месяцев назад. Если бы растительные остатки сгнили или были съедены, углерод все равно вернулся бы в воздух, только несколько медленнее. Поэтому сжигание растений не добавляет к естественному циклу новый углерод, оно лишь несколько ускоряет его оборот. 
В начале XXI века борьба с глобальным потеплением породила моду на биотопливо первого поколения. Так называется горючее, производимое из выращенных специально для этого культур — например, кукурузы или рапса. Быстро выяснилось, что это тупиковый путь. «Топливные» посевы отбирают посевные площади и сельскохозяйственные мощности у пищевых, увеличивая цены на продовольствие. К тому же трактора и комбайны заправляют горючим, а не благими намерениями. В итоге углеродный выигрыш от биотоплива первого поколения незначителен, а отрасль требует дотаций. 
Гораздо разумнее перерабатывать отходы, с которых мы и начали разговор. Так получается биотопливо второго поколения. Его неоспоримое преимущество в том, что отходы почти бесплатны. Однако сырье по бросовым ценам еще не означает конкурентоспособности продукта.
Биотопливо второго поколения бывает твердое (брикеты и гранулы из прессованных опилок, лузги подсолнечника и т.д.), жидкое (моторное) и газообразное (биогаз). Главная проблема твердого биотоплива — низкая калорийность. Производитель тепла продает клиенту калории, а перевозчик берет деньги за килограммы и кубометры. Поэтому сжигать уголь выгоднее, чем древесину, не говоря о чем-то вроде прессованной соломы. К тому же оборудование, рассчитанное на ископаемое топливо, просто не будет нормально работать на низкокалорийном горючем. Чтобы отапливать город брикетами из опилок, нужны ТЭЦ и котельные, рассчитанные на эти брикеты, а не на уголь. То есть для перехода на биотопливо нужны колоссальные вложения в инфраструктуру.
Та же проблема относится и к биогазу, который получают сбраживанием биомассы без доступа кислорода. Из-за большой примеси CO₂ биогаз сильно уступает природному газу в калорийности, так что использовать его можно только на специальных биогазовых котельных. Чтобы довести биогаз до калорийности товарного природного газа, нужно очистить его от примесей, а это нерентабельно.
Все эти трудности приводят к тому, что в 2024 году лишь 2% электроэнергии в мире вырабатывалось из биотоплива.

Полеты как по маслу

Особняком стоит производство жидкого моторного топлива. Делать из биомассы бензин трудно и невыгодно, гораздо проще — аналоги керосина и дизельного горючего. Впрочем, в бензин можно добавлять этанол. Этим пользуются в странах, где развитое аграрное производство сочетается с дороговизной нефти — например, в Бразилии. В 2024 году на биологическое горючее приходилось около 4% моторного топлива в мире.
Примерно 99% жидкого биотоплива льется в баки автомобилей. Тем не менее в последние годы все чаще обсуждается авиационное биотопливо, или SAF (sustainable aviation fuel). К примеру, все самолеты компании Airbus сертифицированы для полетов на смеси биотоплива с керосином в пропорции 50/50. Еще в 2022 году компания отчиталась об испытательном полете лайнера A380 на стопроцентном SAF.
Лайнер взлетел на топливе, произведенном из отработанного растительного масла. Оно каждый день образуется на кухнях кафе и ресторанов, особенно в фастфудах с их изобилием жирного и жареного. Чтобы превратить жидкое и весьма калорийное масло в авиационное топливо, требуется лишь минимальная переработка. Проблема в объемах производства. Объем баков самолета A380 — 320 000 л. Занимательная задача — подчитать, сколько картофеля фри надо поджарить, чтобы заправить один лайнер. Эта технология помогает утилизировать отработанное масло, но не может существенно снизить углеродный след авиации. Поэтому ученые работают над получением SAF из чего-то вроде соломы и опилок — не такого привлекательного, зато крупнотоннажного сырья. 

Будущее на кончике карандаша

Авторы нового исследования использовали в качестве исходного вещества глицерин, благо его можно получать из биомассы в промышленных масштабах. Нагревая глицерин до 500° C без доступа кислорода, можно получить продукт, который авторы называют бионефтью (bio-oil). Это весьма калорийная смесь жидких и твердых углеводородов. Однако твердая примесь затрудняет переработку бионефти в топливо. Она образует корку на поверхности катализатора и блокирует нужные химические реакции.
Исследователи решили эту проблему, убив двух зайцев сразу: они разработали процесс, превращающий мешающие твердые примеси в графит высокого качества. Хотя большинство людей знакомо с этим материалом по карандашам, это далеко не главное его применение. Из графита делаются электроды для литиево-ионных аккумуляторов, питающих самую разную технику от смартфонов до электромобилей. Графит, как негорючий и чрезвычайно тугоплавкий материал, используется в реактивных двигателях и высокотемпературных печах. Он же применяется как замедлитель нейтронов в атомных реакторах и как смазка в некоторых механизмах. Хотя в 2025 году мировой рынок графита составлял только $12 млрд, эксперты ожидают его роста в ближайшее десятилетие почти на 10% в год. Поскольку месторождения природного графита крайне неравномерно распределены по земному шару, растет спрос на синтетический графит. Обычно его получают из нефти. Новая технология позволяет производить графит из бионефти с помощью оборудования, традиционного для нефтеперерабатывающих заводов. Жидкая смесь, остающаяся после получения графита, с успехом перерабатывается в авиационное топливо.
Описанная технология — лишь одна из множества перспективных разработок. Задача ученых — сделать биотопливо одновременно калорийным, дешевым и пригодным для массового производства. Пока эти задачи не будут решены, за утилизацию отходов и снижение углеродного следа придется доплачивать, а значит, рынок «зеленого топлива» останется в зачаточном состоянии.
Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения автора