Нефть из опилок и водорослей: что такое биотопливо и как его создают? Интервью с химиком Леонидом Куликовым

Переработка бионефти — один из главных альтернативных путей получения углеводородов, традиционно добываемых из обычной нефти. Бионефть можно буквально создать из возобновляемого сырья и органических отходов — растительных масел, древесных опилок, водорослей, твердых бытовых отходов, побочных продуктов бумажной промышленности (лигнина) и не только. Подобными исследованиями сегодня занимаются ученые во всем мире, в том числе в России. Мы поговорили с химиком из МГУ Леонидом Куликовым о том, что такое бионефть и чем она отличается от классической. Ученый объяснил, как перерабатывают бионефть и что нужно, чтобы получить из нее качественное биотопливо, а также поделился информацией об уникальных разработках химического факультета МГУ.

Справка: Леонид Андреевич Куликов — кандидат химических наук, ведущий научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории (НИЛ) катализа и нефтехимического синтеза кафедры химии нефти и органического катализа химического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Лауреат премии Министерства науки и высшего образования РФ по поддержке талантливой молодежи. Л.А. Куликов специализируется на фундаментальных исследованиях в области нефтехимии, органического катализа и разработке инновационных каталитических систем для получения альтернативных видов топлива.

— Чем бионефть отличается от обычной?

— Все мы представляем, как выглядит классическая нефть: темная жидкая субстанция, которая залегает в недрах Земли, добывается оттуда и отправляется на нефтеперерабатывающие заводы для получения бензина, дизеля, авиакеросина, мазута и других продуктов. Но бионефть в недрах не залегает. Мы получаем ее искусственно из биомассы, как правило, с помощью пиролиза (термического разложения органических веществ без доступа кислорода. — Примеч. ред.). И хотя внешне оба вида нефти очень похожи (бионефть тоже темная и относительно вязкая), за этим сходством скрываются огромные химические различия. Если обычная нефть — это смесь углеводородов (как правило, с примесями серы и азота), то бионефть в основном состоит из кислородсодержащих соединений. Кислорода в ней огромная доля, до 40–50% по массе. Чтобы превратить такой продукт в полноценное топливо, необходимо избавиться от этого кислорода.

— Если принять гипотезу о том, что обычная нефть произошла из древней органики, то она тоже в каком-то смысле «био»? Нет ли здесь терминологического каламбура?

— Доля каламбурности здесь действительно присутствует: ведь классическая нефть, по одной из теорий, могла образоваться из органических остатков, в частности водорослей или, например, даже динозавров, хотя последнее — больше популярный миф. Однако в научном сообществе до сих пор ведутся дискуссии на этот счет, и существует противоположная гипотеза — о неорганическом происхождении нефти. Впрочем, среди ученых пока преобладает биогенная теория. В случае с бионефтью, которой посвящено наше интервью, приставка «био» указывает исключительно на то, что сырьем служит не древняя, а современная биомасса. Бионефть — это продукт ее первичной переработки, который затем используется для получения компонентов топлива.

— Что именно в таком случае выступает в роли биомассы?

— Источники биомассы принято делить на три поколения. Первое поколение — это органическое сырье, которое может использоваться в пищу (например, сахара, крахмалы, растительные масла). Исторически из сахаров научились получать биоэтанол — популярную добавку к бензину в США и Бразилии. Из масел производят компоненты дизельного или авиационного топлива. Технологии переработки биомассы первого поколения уже давно внедрены в промышленность. Второе поколение представляет собой побочные продукты нашей жизнедеятельности — непищевое сырье и отходы, — которые человек не употребляет в пищу. Сюда относят лигноцеллюлозную биомассу (древесные опилки, растительные остатки), выделяемый в целлюлозно-бумажной промышленности лигнин, а также твердые бытовые отходы. Сейчас активно развиваются технологии переработки этого сырья. К третьему поколению относятся водоросли. Их переработка пока находится на стадии фундаментальных научных исследований.

— Получаемый продукт может служить самостоятельным топливом или только добавкой? Придется ли адаптировать под него обычные двигатели автомобилей, самолетов и т.д.?

— Все зависит от глубины переработки и существующих стандартов. Современные двигатели заточены под углеводороды нефти. Если мы берем растительные масла и проводим их глубокую гидропереработку (меняя саму структуру молекул), то полученный продукт (HVO-топливо, Hydrotreated Vegetable Oil — гидроочищенное растительное масло) можно напрямую заливать в обычный топливный бак без всяких модификаций машины. Если же применить легкую переработку масел в метиловые эфиры жирных кислот (FAME, Fatty Acid Methyl Esters — метиловые эфиры жирных кислот), то полученный биодизель можно использовать только как добавку, обычно не более 10–20% от общего объема. Заводы такого типа уже активно работают в Европе, США и Индонезии.

— Давайте подробнее остановимся на втором поколении сырья, например на опилках. Как выглядит процесс их превращения в биотопливо?

— С опилками работать сложнее, технологии здесь еще оптимизируются. Сначала сырье нужно измельчить и высушить. Удаление избыточной влаги требует серьезных энергозатрат, но без этого выходы целевого топлива будут слишком низкими. Затем сухие опилки отправляют на быстрый пиролиз — нагревают без доступа кислорода до высоких температур (до 900 ℃). Образовавшийся пар из мелких молекул конденсируют, получая жидкую бионефть. Но использовать ее сразу нельзя. Во-первых, из-за обилия кислорода в ней присутствуют органические кислоты и альдегиды. Если залить такую смесь в бак, кислоты мгновенно вызовут коррозию и разрушат двигатель. Во-вторых, бионефть химически нестабильна: обычная нефть хранится годами, а бионефть за несколько месяцев полимеризуется и превращается в совершенно другой продукт, который тяжело перерабатывать. Поэтому необходимо использовать так называемую гидродеоксигенацию — удаление лишнего кислорода и ненасыщенных соединений с помощью водорода для стабилизации топлива.

— Вы проводите подобные эксперименты в своей лаборатории?

— С опилками как с твердым сырьем на текущий момент мы не работаем. Наша команда исследует фундаментальные закономерности химических процессов. Для этого мы задействуем либо готовую бионефть, либо отдельные соединения, входящие в ее состав. На таких модельных смесях мы детально изучаем влияние условий переработки и структуры катализаторов на химические реакции. Когда картина проясняется, мы переносим эти знания и закономерности на реальную бионефть, чтобы создать идеальный катализатор.

Если говорить более предметно, то сейчас мы работаем с соединениями, содержащимися в лигноцеллюлозной бионефти, — гваяколом, фурфуролом и их производными. Наша задача — получить из них компоненты моторных топлив, в первую очередь авиационных (SAF, Sustainable Aviation Fuel — экологичное авиационное топливо), при помощи новых катализаторов.

— В чем уникальность научных подходов, используемых в вашей лаборатории?

— Для превращения компонентов бионефти в углеводороды мы используем катализаторы на основе специальных инновационных носителей — пористых ароматических каркасов (PAF, Porous Aromatic Frameworks). Это особые сверхстабильные полимеры, которые по своей химической природе близки к соединениям, содержащимся в бионефти, благодаря чему целевые реакции протекают легче и эффективнее. Кроме того, полимерная природа таких носителей позволяет  модифицироватьее под нужную задачу и тем самым гораздо точнее контролировать структуру и состав самих катализаторов.

В России этой темой занимаемся не только мы. Проблемы переработки биомассы исследуют крупные научные группы в ФИЦ ИК СО РАН (Новосибирск), ИНХС РАН (Москва), РГУ нефти и газа (НИУ) им. И.М. Губкина (Москва), ТвГТУ (Тверь) и ИХХТ СО РАН (Красноярск). Тема очень обширная, но у нашей группы есть в ней уникальные наработки. Недавно в рамках работ по гранту РНФ (РНФ № 25-79-00160) у нас вышли публикации в журналах «Наногетерогенный катализ» и «Нефтехимия». В них мы рассматриваем получение из соединений лигноцеллюлозной бионефти предшественников компонентов авиационного топлива. А в журнале Energy and Fuels мы подробно описали превращение схожих предшественников в углеводороды. Мировой тренд прямого получения готовых топливных компонентов из бионефти и наши исследования на конкретных молекулах-маркерах лежат в русле этой актуальной задачи.

— Каковы промышленные перспективы получения бионефти? Есть ли подобные заводы в России и за рубежом?

— За рубежом такие производства уже есть. В Республике Беларусь функционирует завод, перерабатывающий масла в компоненты биодизеля для экспорта в Европу. В Финляндии и Норвегии действуют предприятия по пиролизу биомассы, и сейчас там строятся мощности для дальнейшей переработки бионефти в авиационное биотопливо. В США в 2026 г. премию ICIS Innovation Awards в номинации Green Project of the Year получила компания Honeywell Technologies за проект DG Fuels Louisiana по производству экологичного авиационного топлива как раз из лигноцеллюлозной биомассы. Сегодня это самый горячий мировой тренд. Что касается России, то у нашей страны — колоссальная сырьевая база для развития этого направления. С экономической точки зрения для внутреннего рынка нам сейчас выгоднее перерабатывать традиционную нефть. Однако развивать биотехнологии на небольших пилотных производствах нужно уже сейчас, чтобы отрабатывать отечественные решения наравне с остальным миром и не отставать в технологическом плане.

— Какую роль химический факультет МГУ играет в этой общемировой экологической гонке за зеленой энергетикой?

— Наш факультет известен своей мощной приборной и материально-технической базой. Но самая большая ценность — ученые, наша фундаментальная школа, частью которой каждый год становятся тысячи студентов и аспирантов. Именно они двигают науку вперед. Наши исследования находятся на передовом общемировом уровне. Да, в каких-то аспектах мы догоняем зарубежных коллег, но во многих направлениях мы выступаем первыми и достигаем уникальных результатов, не имеющих мировых аналогов.

— Как вы считаете, в будущем биотопливо останется локальной, нишевой историей или же станет по-настоящему массовым?

— Я уверен, что оно станет массовым. Вопрос лишь в том, будет ли это стопроцентный переход или гибридный подход. Думаю, в обозримом будущем нас ждет комбинированный вариант: параллельное сосуществование классической нефтепереработки и переработки биомассы. Традиционная нефть исчерпаема. Да, запасов еще много, но той нефти, которую легко добывать и перерабатывать, становится все меньше, а мировое потребление топлива неуклонно растет. Это и заставляет ученых искать альтернативы. Биомасса, в отличие от нефти, возобновляема. Однако ключевая задача будущего — сбалансировать ее производство так, чтобы скорость природного воспроизводства сырья поспевала за постоянно растущими темпами его потребления.

Интервью проведено при поддержке Министерства науки и высшего образования РФ

Все фотографии в материале: Елена Либрик / «Научная Россия»