В последнее время в мире растет интерес к «зеленым» технологиям в самых разных отраслях хозяйства. Наиболее известный пример — электромобили и гибридные автомобили, продвигающиеся как более экологичная альтернатива традиционному автопарку. Не обошла эта модная тема и химическую промышленность. Стал бурно расти интерес к так называемым биополимерам, которые альтернативны традиционным как с точки зрения сырья для их изготовления, так и по свойствам .
Российский химпром не остался в стороне. Летом 2013 года был представлен «План мероприятий (“дорожная карта”) “Развитие биотехнологий и генной инженерии”», охвативший и направление биополимеров. Программа довольно амбициозная. Она предполагает замещение биополимерами до 8% всего российского рынка полимерной продукции, в том числе в упаковочном сегменте — четверть. Это был бы высочайший в мире показатель. Чтобы его достичь, России пришлось бы построить больше мощностей по производству биополимеров, чем уже построено во всем остальном мире. На биопластики сейчас приходится не более 0,6% мирового полимерного рынка, или 2% рынка пленок, и эта доля, по оценкам экспертов отрасли, не превысит 5% даже к 2050 году.
В России же наиболее радикальные планы развития биополимеров предусматривали вообще полный запрет на использование в пищевой промышленности упаковочных материалов, изготовленных на предприятиях традиционной нефтехимии.
Некоторые компании успели анонсировать планы создания в России заводов по выпуску биополимерной продукции (см. таблицу) из сельскохозяйственного сырья. Ни один из этих крупных проектов, правда, пока не реализован.
Помимо «дорожной карты» по развитию биотехнологий есть не менее амбициозный план развития нефтехимии до 2030 года, призванный устранить сырьевую ориентацию нашей экономики в сфере углеводородов. Этот отраслевой документ делает ставку на развитие производства полимерной продукции из углеводородного сырья. Как нетрудно заметить, эти два плана противоречат друг другу.
При этом развитие обоих направлений нефтехимической отрасли, включая традиционную нефтехимию, требует государственной поддержки — это общемировая практика. Вряд ли мы сейчас можем себе позволить сразу две взаимоисключающие программы развития. Так на какую же из них делать ставку?
Биоальтернатива
Для начала разберемся с определениями. Биополимерами могут называться весьма различные материалы. Во-первых, так называют полимерную продукцию, изготовленную не из традиционного нефтехимического сырья, а из биологических материалов. Как правило, это сельскохозяйственная продукция. Реже — древесина. Идея использования биологического сырья вместо нефти и газа основана на том, что эти ресурсы возобновляемы и меньше загрязняют окружающую среду в процессе производства.
Во-вторых, это полимерная продукция, способная разлагаться в естественных условиях под влиянием природных факторов. Обычные полимеры не разлагаются на протяжении многих лет, поэтому пластиковый мусор представляет собой большую проблему для современного общества. Биоразлагаемые материалы этого недостатка лишены.
Биополимер не обязательно биоразлагаем. Биологическое сырье может использоваться для производства материалов, по свойствам идентичных обычным «нефтехимическим» полимерам. Эти материалы не способны к разложению в естественной среде. «Био-» в их названии всего лишь указывает на происхождение сырья, из которого они изготовлены. К таким материалам относятся биополиэтилен, биопропилен и один из самых популярных его видов — био-ПЭТ, используемый для изготовления пластиковых бутылок. Многие компании из соображений рекламы производят бутылки из био-ПЭТ, чтобы показать свою приверженность «зеленым», экологическим, ценностям. Увы, эти бутылки чаще всего делаются не чисто из био-ПЭТ, а из смеси с обычным ПЭТ, а потому не разлагаются точно так же, как и их обычные аналоги.
«Зеленая» и дорогая
Россия располагает колоссальными запасами традиционного углеводородного сырья, а вот отечественная нефтехимия пока что не может похвастаться уровнем производства, достаточным для полного покрытия потребностей населения и хозяйства ключевыми видами продукции. Если в мировых запасах нефти на Россию приходится 15%, а в мировых запасах газа — 35%, то среди производителей полимерной продукции наша страна едва заметна (2% глобального рынка). Фактически мы экспортируем сырье — нефть (до 50% всей добычи) и газ (29% добычи), но остаемся чистым импортером нефтехимической продукции. По ряду наименований товарной продукции потребности страны были обеспечены за счет внутреннего производства только в последние год-два, по иным не обеспечены до сих пор, и стоит вопрос об импортозамещении. Например, импорт упаковочной пленки до сих пор покрывает 18% потребностей.
Победить в борьбе полимеров должен сильнейший по совокупности своих потребительских и рыночных, в первую очередь ценовых, характеристик.
Как утверждают представители отечественных химических компаний, существующие технологии не позволяют биопластикам конкурировать с традиционными пластиками. И переменные, и капитальные затраты у биопластиков намного выше.
Действительно, скажем, в США биополимеры обходились дороже традиционных полимеров даже в 2012 году, когда цены на углеводородное сырье были весьма высокими. Так, издержки на производство полимолочной кислоты могли сравниться только с аналогичными показателями по углеводородному полипропилену, но чуть ли не вдвое превышали затраты на изготовление полиэтилена. Полигидроксиалканоаты (PHA) вообще ушли далеко за границы ценовой конкурентоспособности по сравнению с традиционными полимерами. В настоящее время, при куда более низких ценах на углеводороды, преимущество традиционных полимеров по себестоимости еще больше. В России разрыв в себестоимости может достигать двух раз — за счет меньшей урожайности и, следовательно, большего плеча доставки и больших транспортных издержек.
Даже небиоразлагаемые материалы, изготовленные из биологического сырья, заметно дороже своих «нефтехимических» аналогов. Если в США затраты на изготовление тонны «нефтехимического» этилена составляют примерно 700 долларов, то биоэтилен из кукурузы требует уже 1500 долларов на тонну. В странах ЕС биоэтилен из сахарной свеклы требует затрат 1800 долларов на тонну против 1000 долларов для простого этилена.И даже в Бразилии биоэтилен из сахарного тростника обходится производителю в 1400 тыс. долларов за тонну против 1000 долларов в традиционной нефтехимии.
Главная причина — более дорогое сырье, которого нужно много. Оценить потребность в биосырье для биополимеров можно исходя из следующего обстоятельства. Базовый продукт для традиционной нефтехимии — этилен. Этилен можно получить из биоэтанола. Затраты сырья на производство биоэтанола, по оценкам немецкой химической компании Linde, составляют от 2 до 12,1 тонны на тонну продукции.
Еще одна причина — относительная дороговизна строительства подобного завода. Мощности завода по выпуску биополимеров ввиду особенностей используемого сырья (сельхозпродукции, собираемой с довольно большой территории) обычно составляют 100 — 200 тыс. тонн продукции в год. Для современной нефтехимии норма — установки мощностью 0,5 — 1 млн тонн. Поэтому нефтехимическое предприятие выигрывает от эффекта масштаба: капитальные затраты там тоже велики, зато больше объем производимой продукции. Биополимерные предприятия такой возможности не имеют. Поэтому даже при меньшей стоимости всего проекта удельные инвестиции на тонну мощности здесь до 1,3 — 2 раза больше.
Биоразлагаемые биополимеры в 1,3 — 1,5 раза плотнее, чем традиционные полимеры. Это значит, что для изготовления одного и того же объема товарной продукции биополимеров потребуется потратить в 1,3 — 1,5 раза больше. А поскольку биополимеры и так в полтора-два раза дороже обычных полимеров даже в пересчете на массу, то разрыв в стоимости готовой товарной продукции становится совсем уже неприличным.
Кроме того, иная плотность используемого материала потребует перенастройки или даже смены оборудования для производства готовой пластиковой продукции. Это ляжет дополнительными издержками на производителей, а стало быть, повысит и конечную стоимость продукции.
Разумеется, ни о какой конкурентоспособности по цене речи тут не идет.
А по ряду направлений применения биоразлагаемые биополимеры не смогут использоваться в принципе. Например, полимолочная кислота, которую хотят выпускать в России, пропускает двуокись углерода, поэтому бутылки из такого материала не могут использоваться для газированных напитков. В силу физических характеристик биоразлагаемые пластики мало пригодны для изготовления предметов, испытывающих ударные нагрузки, эксплуатирующихся под напряжением.
Перспективная ниша
Значит ли это, что биополимерам совсем не найдется места в России? Вовсе нет. У них есть свои перспективные ниши. Например, биоразлагаемые пленки, как ничто другое, подходят для мульчирования в сельском хозяйстве. Биоразлагаемые полимеры очень хороши для использования в медицине — для производства шовных материалов, катетерных игл, имплантатов.
Но ниша эта ограниченная. По оценкам экспертов отрасли, доля биополимеров в ближайшие два десятилетия вряд ли превысит 5% всего полимерного рынка мира. Словом, биополимеры — это такой химический «электромобиль». Модно, шума много, но о реальной альтернативе углеводородам пока не может идти и речи.
А вот в более отдаленном будущем, в перспективе тридцати-сорока лет, уже можно будет говорить об альтернативе.
Россия, собирая уже сейчас до 100 млн тонн зерна в год, является его экспортером. На внешние рынки в последние годы ежегодно отправляется около 30 млн тонн. С этим зерном мы получаем еще до 100 млн тонн соломы в год. Она практически никак не используется. В то время как развитие технологий ферментной обработки в отдаленном будущем могло бы сделать ее отличным сырьем для производства биополимеров.
«Потенциальным районом размещения будущих биополимерных производств может стать наш зерновой пояс — черноземная полоса до Урала, до Башкирии, — говорит Александр Даньшин, сотрудник географического факультета МГУ. — Тут есть зерно, много кормовых отходов, а животноводство еще не так развито. Плюс еще юг Западной Сибири. Например, в Алтайском крае есть проблемы: не знают, как зерно вывезти, куда его девать. Для зерна нормальное плечо доставки по суше — 500 — 1000 километров, дальше уже нет экономики. Там уже строят завод по переработке зерна в белок. А рядом еще Казахстан, где тоже много растительного сырья».
Перерабатывать в биополимеры можно и древесное сырье. В Тюменской области уже сейчас есть свободные объемы в размере 15 млн тонн спелой перестойной древесины, которые могли бы быть переработаны и дать до 5 млн тонн биополимерной продукции. Правда, промышленных технологий, обеспечивающих такую переработку с приемлемой себестоимостью продукта «на выходе», в России пока не создано
Как вырастить бутылку
Практика использования биологического сырья в химических целях имеет давнюю историю. Скажем, первая технология производства синтетического каучука, созданная в СССР академиком Сергеем Лебедевым, предусматривала как раз использование в качестве сырья пищевого спирта (этанола), получаемого из картофеля или зерна. Этим фактором было обусловлено и размещение первых отечественных заводов по выпуску синтетического каучука в Ярославле, Ефремове, Воронеже, Казани — вблизи сельскохозяйственного сырья.
После Второй мировой войны от использования биосырья отказались в пользу нефти. Однако попытка воспользоваться биологическим сырьем в химических целях еще предпринималась при реализации проекта строительства Красноярского завода искусственного каучука. Там предполагалось использование древесины. Но полученный материал при тогдашнем несовершенстве технологий показал не самые лучшие качественные характеристики, поэтому и Красноярск вскоре перешел на нефтегазовое сырье.
В современном мире производство подобных полимеров существует как дополнение к технологической схеме изготовления биоэтанола. То есть из растительного сырья изготавливается биоэтанол, потом из него, посредством дегидратации, — биоэтилен. А этилен — базовый продукт нефтехимии. Далее идет обычная схема, известная по нефтехимическим производствам на базе этилена.
Но даже обычный «нефтехимический» полимер можно сделать биоразлагаемым, если при изготовлении на стадии экструзии добавить в его состав нужную примесь. Такая добавка при соблюдении определенных условий по освещенности и температуре стимулирует распад длинных полимерных цепочек на более короткие. Изделие при этом превращается в своего рода пластиковую труху. Сроки разложения таких пластиков составляют от девяти месяцев до пяти лет и более.
К подобным материалам относятся полибутираты, полибутиленсукцинаты, поликапролактоны, полигликолевая кислота. Чаще всего они используются при производстве ПЭТ-бутылок, сельскохозяйственных пленок, одноразовой упаковки.
И наконец, на пересечении двух определений находятся материалы, которые можно грубо назвать биополимерами в узком смысле. Это полимеры, изготовленные из биологического сырья и при этом способные к разложению в природных условиях. В России таких технологий нет, все требуемые добавки придется импортировать.
Строго говоря, к биоразлагаемым биополимерам можно отнести все белки. Если же говорить о химической продукции, то это в первую очередь полигидроксиалканоаты (PHA) и полимолочная кислота (PLA).
Полигидроксиалканоаты получают в процессе жизнедеятельности бактерий. Колония бактерий помещается в обогащенную сахарами и микроэлементами среду. Бактерии размножаются, на определенной стадии в силу перенаселения колония начинает накопление PHA. На пике его количества процесс останавливается. Оболочки клеток разрушаются механически или ультразвуком, а полимер освобождается в раствор и обрабатывается традиционным способом.
Полимолочная кислота куда проще в изготовлении. Ее получают на химических предприятиях путем брожения сельскохозяйственного сырья. В Бразилии это сахарный тростник, в других странах — зерновые культуры или сахарная свекла.
Большинство анонсированных биополимерных проектов в России предполагает производство именно полимолочной кислоты.
Таблица Биополимерные проекты в России — пока лишь декларации о намерениях График 1 Интерес к биополимерам в мире растет График 2 Себестоимость полимеров в России, в ценах 2013 года График 3 Ложная экологичность: большинство производимых в мире биополимеров не разлагаются График 4 Эффект масштаба в производстве биополимеров отсутствует График 5 Углеводородная химия выигрывает по себестоимости График 6 Россия все еще серьезно зависит от импорта полимерных пленок