Биотопливо сейчас в фаворе. Дескать, это топливо нулевой эмиссии парниковых газов, его применение позволит сократить добычу нефти и заменить её в автомобилях. Что оно полностью возобновляемо и его ресурсы неограниченны. Давайте посчитаем, так ли это.

У нас стоит теоретическая задача: получить биоэтанол из картофеля. Посчитаем, какие затраты энергии необходимы для получения этанола и сравним это число с количеством энергии, которую мы получим. Итак, дано 10 т картофеля. Это количество содержит примерно 1200 кг крахмала, из которого можно получить примерно 600 кг этанола. (теплотворная способность 25 МДж/кг) Это количество этанола эквивалентно примерно 351 кг дизельного топлива (ДТ) с теплотворной способностью 42,7 МДж/кг.

Для выделения 600 кг этанола необходимо перегнать 6000 кг спиртовой барды с концентрацией спирта 10%. Это не предел для дрожжей, но при более высоких концентрациях этанола их жизнедеятельность угнетается и процесс брожения сильно замедляется. Теплоёмкость воды – 4,2 кДж/кг*°С. Барда нагревается от 20 до 90 °С. Для нагрева 5400 кг воды потребуется 1587,6 МДж энергии, что эквивалентно 37 кг ДТ. Для нагревания спирта (теплоёмкость 2,46 кДж/кг*°С) потребуется 103,32 МДж или 2,42 кг ДТ. Теплота испарения спирта равна 839,3 кДж/моль, значит, для перегонки 600 кг спирта потребуется 10947 МДж энергии или 256,4 кг ДТ. Общая сумма энергии, потраченной на выработку спирта равна 295,82 кг ДТ. Казалось бы, неплохо: чистый выигрыш составляет 55,18 кг ДТ с каждых 10 тонн картофеля. Считаем дальше. Картофель содержит порядка 5% белков и аминокислот, что равно примерно 500 кг на 10 т. Средняя молярная масса аминокислоты равна 114 и в ней в среднем содержится 12,3% азота. Значит, в 10 т картофеля будет 61,4 кг азота в пересчёте на действующее вещество. При вегетации ещё большее количество азота необходимо для построения стебля растения. Общее количество азотных удобрений для выращивания 10 т картофеля равно примерно 200 кг в пересчёте на действующее вещество. Фиксация азота происходит через синтез аммиака, по примерному соотношению: 1 СН2 группа (молярная масса 14) даёт при конверсии 3 моль водорода (СН2 + 2Н2О = СО2 + 3Н2) и позволяет получить 2 моль аммиака (N2 + 3H2 = 2NH3). 2 моль аммиака – это 1 моль или 28 г азота, в пересчёте на элемент. Значит, для фиксации 200 кг азота, необходимого для выращивания картофеля, нужно 100 кг ДТ. (ДТ – это смесь алканов, общей формулой СnH2n+2. Это примерно равно СnH2n, так как при большой длине цепи количеством концевых водородов можно пренебречь. Даже при их полном учёте количество ДТ снизится максимум до 95-97 кг) Теперь чистые затраты топлива составляют 44,82 кг. Итак, при переработке 10 т картофеля на биоэтанол мы вынуждены затратить на 44, 82 кг топлива больше, чем можем получить.

Расчёт содержит неточности (на самом деле их даже много). Например, эффективность теплопередачи от пламени к перегоняемой барде составляет около 90%, что увеличит количество топлива для перегонки до 330 кг ДТ. Системы рекуперации тепла позволят сократить количество топлива примерно на 30 – 40% (230 – 197 кг). Вообще не учтены энергозатраты на обработку поля, перевозку и хранение картофеля, нейтрализацию барды после перегонки, нейтрализацию стоков при получении крахмала (а на 10 т – это не менее 6 т картофельного сока и до 10 – 12 т воды), а это всё необходимо включить в расчёт расходов. В общем, неточности нейтрализуют друг друга (одни из них увеличивают количество топлива, другие уменьшают) и суммарно не сильно влияют на итоговый результат.

Наконец, неограниченность и полная возобновляемость ресурсов для выращивания биологического сырья тоже под вопросом. Для получения урожая мы должны вносить дополнительно калийные и фосфорные удобрения, а это – невозобновляемые ископаемые продукты, запасы которых ограничены.

Теперь немного об этических проблемах расходования пищевого сырья на биотопливо. США по данным Википедии производит или готовится производить из кукурузы 28 млрд. литров топливного этанола в год. Пусть, современное производство порядка 20 млрд. литров. Это эквивалентно 30 млн. тонн переработанного крахмала или до 100 млн. тонн зерна. Самая миролюбивая страна окончательно победившей свободы и демократии предпочитает сжечь пищевые ресурсы, а не делиться ими с окружающими.

Менделеев в своё время посетовал, что топить нефтью – это всё равно, что топить ассигнациями. Биотопливо обходится ещё дороже.