Что такое биотопливная энергетика
Данный вид топлива получают из биологического сырья, доступного в огромных количествах и возобновляемого.
Существует много способов для получения биотоплива, к примеру, есть заводы по переработке стеблей сахарного тростника, семян рапса, кукурузы, сои, и других растений.
Производится жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель) и твёрдое биотопливо (дрова, солома).
На ранней стадии разработки находятся технологии по получению топлива из целлюлозы, органических сельскохозяйственных, бытовых отходов, отходов лесной промышленности. Они являются наиболее перспективными и безопасными для окружающей среды.
Считается, что биотопливо в большей степени соответствует экологическим стандартам, потому что при сгорании выделяет меньше парниковых газов, губительных для окружающей среды.
На самом деле, не все биотопливо одинаково безвредно для природы и эффективно, ряд технологий имеет существенные недостатки.
Тем не менее, есть и удачные решения, которые смогут стать достойной альтернативой, или же служить следующей ступенью в процессе перехода от традиционных видов топлива к экологически чистым ресурсам нового поколения.
Биотопливо по назначению своему делится на два вида: для заправки автомобилей вместо бензина, либо для отопления помещений вместо газа.
Правда, пока существуют единичные примеры устройств, позволяющих легковому транспорту работать на биотопливе. Пока эта технология находится в стадии становления.
В тоже время отапливать жилье биотопливом можно прямо сейчас, потому что идея обогревать жилище дровами существует определенно не одну тысячу лет. Однако лучше дождаться массового производства топливных брикетов из отходов агропромышленного комплекса или лесоперерабатывающей отрасли.
Такими брикетами можно будет отапливать не только частные жилые дома, но и использовать для поддержания системы центрального отопления и горячего водоснабжения больших городов.
Во многих уголках мира, ровно как тысячи лет назад, в качестве топлива используют дрова. Производство дров поставлено на поток, огромные территории засаживаются энергетическими лесами, где растут быстрооборачиваемые растения.
В бедных странах Африки рост стоимости нефтяных видов топлива приводит к активной вырубке лесов, что наносит колоссальный вред окружающей среде.
Энергетические леса не являются выходом из положения, поскольку истощают плодоносный слой почвы, который мог бы использоваться более рационально.
Поэтому данный вид биотоплива не может рассматриваться как альтернатива ископаемым источникам энергии на Земле.
Другой вид твердого биотоплива – топливные гранулы. Они изготавливаются из энергоносителей органического происхождения. Как правило, это навоз.
Также существует способ превращать древесные отходы, лузгу, шелуху, солому и даже твердые бытовые отходы в пеллеты, то есть цилиндрические или сферические гранулы или в топливные брикеты.
Органические энергоносители брикетируются, сушатся, затем сжигаются в каминах жилых домов или топках электростанций, которые вырабатывают дешевую и экологически чистую энергию.
В качестве биотоплива также используется топливный торф.
Биоэтанол производится из сахарного тростника и считается альтернативой бензину. Однако этанол является менее «энергоплотным»: пробег машин, работающих на этаноле, на единицу объема топлив составляет около 75% от пробега стандартных машин.
На чистом этаноле автомобиль не поедет: биотопливо мешают с бензином в пропорции 85% к 15%. Такое топливо называется Е85, оно предназначено для двигателей внутреннего сгорания, однако реально работать на биоэтаноле могут только машины марки Flex-Fuel.
Эти машины устроены таким образом, что могут работать и на жидком биотопливе, и на бензине, правда, с небольшим добавлением биоэтанола. Переделать обычную машину в Flex-Fuel можно, но экономически не целесообразно.
Сахарный тростник активно выращивают и перерабатывают в биотопливо в США и Бразилии. По данным за 2005г., приведенным web-энциклопедией ru.Wikipedia.org, на долю этих стран пришлось 44,7% и 45% в общемировой структуре производства биоэтанола.
В Бразилии его делают из сахарного тростника, на заправках продаются этанолы Е20 или Е25, а также марку «acool» и азеотроп этанола (в нем содержится самый высокий концентрат этанола, который можно получить путём обычной дистилляции).
В США для производства этанола используют кукурузу, под эту культуру в сельскохозяйственных районах отведено тысячи гектар плодородной земли.
В 2007г. экс-президент США Дж. Буш подписал закон о Энергетической независимости и безопасности (EISA of 2007), согласно которому к 2022г. в стране должно ежегодно производиться 36 млрд галлонов этанола.
Кукурузный план Буша отнюдь не является оправданным с точки зрения экологии. Промышленное выращивание кукурузы ведет к оскудению плодоносного слоя. Даже, если учесть, что из 36 млрд галлонов этанола 16 млрд будет производиться из целлюлозы.
По оценкам Worldwatch Institute, произведенным в 2007г., годовая продажа этанола составила 46 млрд литров. США и Бразилия производили 95% мирового объёма этанола.
Биометанол нужен для того, чтобы избавиться от необходимости использовать бензин в наших автомобилях.
Его получают за счет промышленного культивирования и биотехнологической конверсии морского фитопланктона.
Фактически речь идет о преобразовании солнечной энергии за счет фитопланктона, отраслевые эксперты убеждены, что данный процесс имеет существенные экономические преимущества по сравнению с другими способами использования энергии солнца.
Производство биометанола пока не имеет промышленного масштаба, но направление является одним из наиболее перспективных в альтернативной энергоотрасли.
Ее развитием в Европе начали заниматься еще в 80-х годах прошлого века, созданию промышленных систем по производству биометанола помешало общемировое снижение цен на нефть.
Микроскопические водоросли помогают добыть экологически чистую замену бензина, не забирая плодоносные земли у сельхозпроизводителей, они обладают высокой продуктивностью (до 100 т\га в год) и не нуждаются в пресной воде.
Энергоотдача биометанола достигает 14% на стадии получения метана и 7% на стадии получения метанола.
Первичное производство биомассы фитопланктона происходит за счет его культивирования в искусственных водоемах, которые создаются на морском побережье.
Затем скопившаяся биомасса фитопланктона в процессе брожения производит метан, из которого получается метанол.
Биобутанол (бутиловый спирт) рассматривается рядом частных американских компаний как альтернатива бензину в XXI веке. Потому что энергия биобутанола близка к энергии бензина.
Биобутанол используется в топливных элементах, а также может использоваться для производства водорода.
Сырьем для производства биобутанола служит сахарный тростник, свекла, кукуруза, маниока, в перспективе – целлюлоза.
Биобутанол широко используется в промышленности, в США ежегодно производится 1,39 млрд литров бутанола приблизительно на $1,4 млрд.
Технология производства биобутанола разработана компанией DuPont Biofuels. Компании Associated British Foods (ABF), BP и DuPont строят в Великобритании завод по производству биобутанола мощностью 20 тыс. литров ежегодно, применяя различные виды сырья.
Диметиловый эфир производится из угля, природного газа и биомассы. Большое количество диметилового эфира производится из отходов целлюлозо-бумажного производства.
Это экологически чистое топливо без содержания серы. Содержание оксидов азота в выхлопных газах на 90% меньше, чем у бензина.
Эфир сжижается при небольшом давлении, его применение не требует специальных фильтров, однако придется переделать системы питания автомобиля.
К примеру, придется установить газобалонное оборудование, откорректировать смесеобразование и зажигание двигателя. Без переделки применение диметилового эфира возможно на автомобилях с LPG-двигателями при 30% содержании в обычном топливе.
В июле 2006г. Китай выпустил стандарт использования диметилового эфира в качестве топлива в надежде, что со временем это биотопливо станет альтернативой дизельному топливу.
В ближайшие 5 лет Китай планирует производить 5-10 млн т диметилового эфира в год.
Правительство Москвы планирует издать постановление «О расширении применения диметилового эфира и других альтернативных видов моторного топлива» с тем, чтобы легализовать данный вид топлива.
Автомобили с двигателями, работающими на диметиловом эфире разрабатывают KAMAZ, Volvo, Nissan и китайская компания SAIC Motor.
Биодизель создается на основе жиров животного, растительного и микробного происхождения.
Этот вид биотоплива получают также за счет продуктов этерификации этих самых жиров, то есть за счет получения сложного эфира через взаимодействие спиртов с кислотами.
Сырьём могут быть рапсовое, соевое, пальмовое, кокосовое масло, или разновидность масла-сырца, а также отходы пищевой промышленности, что особо добавляет привлекательности разработке данной технологии.
В лабораториях пытаются решить вопрос промышленного получения биодизеля из водорослей.
Биотопливо второго поколения представляет собой жидкость для производства автомобильного топлива, или топлива для электростанций.
Это продукты пиролиза биомассы (когда происходит необратимый термический процесс разложения веществ без их окисления), или виды топлива, отличные от метанола, этанола и биодизеля.
Быстрый пиролиз превращает биомассу в жидкость, которую легче и дешевле транспортировать, хранить и использовать.
По оценкам Германского Энергетического Агентства, при ныне существующих технологиях производство топлив пиролизом биомассы может покрыть 20% потребностей Германии в автомобильном топливе.
К 2030г., с развитием технологий, пиролиз биомассы может обеспечить 35% германского потребления автомобильного топлива. Себестоимость производства составит менее 0,80 евро за литр топлива.
Технология показалась мировому сообществу настолько перспективной, что исследовательские компании из 15 стран Европы, США и Канады объединились и создали международную организацию «Пиролизная сеть» (Pyrolysis Network (PyNe).
Из биотоплив второго поколения, которые уже продаются на рынке, наиболее известны BioOil производства канадской компании Dynamotive и SunDiesel германской компании CHOREN industries GmbH.
Биотопливо третьего поколения получают из водорослей.
Департамент Энергетики США с 1978 по 1996гг. исследовал водоросли с высоким содержанием масла по программе «Aquatic Species Program».
Исследователи пришли к выводу, что Калифорния, Гавайи и Нью-Мексико пригодны для промышленного производства водорослей в открытых прудах.
В течение 6 лет водоросли выращивались в прудах площадью 1 тыс. м2. Пруд в Нью-Мексико показал высокую эффективность в захвате СО2. Урожайность составила более 50 гр. водорослей с 1 м2 в день.
Доказано, что 200 тыс. га прудов могут производить топливо, достаточное для годового потребления 5% автомобилей США. Это менее 0,1 % земель США, пригодных для выращивания водорослей.
У технологии еще остаётся множество проблем. Например, водоросли любят высокую температуру, для их производства хорошо подходит пустынный климат, но требуется некая температурная регуляция при ночных перепадах температур.
В конце 1990-х гг. технология не попала в промышленное производство из-за низкой стоимости нефти.
Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи электростанций.
Сбросное тепло ТЭЦ способно покрыть до 77% потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей. Эта технология не требует жаркого пустынного климата.
Углеводороды могут стать аналогом бензина. Развитие технологии находится на начальном этапе.
Ряд микроорганизмов, например Botryococcus braunii, способны накапливать углеводородов до 40% общего сухого веса. В основном они представлены изопреноидными углеводородами.
Биоводород получают из биомассы термохимическим, биохимическим или другим способом, например с помощью водорослей.
Водород может производить группа зелёных водорослей, например, Chlamydomonas reinhardtii. Водоросли могут производить водород из морской воды, или канализационных стоков.
В мире ежегодно производится около 50 млн т водорода. Из них примерно 48 % производится из природного газа, 30% из нефти и 18% из угля.
Пока не все страны обладают собственными углеводородами. Решением этих проблем может стать производство ворода из биомассы.
Водород из биомассы получается термохимическим или биохимическим способом.
При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500—800 0C (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, CO и CH4.
Себестоимость процесса $5-$7 за кг водорода. В будущем возможно снижение до $1-$3.
В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes, Enterobacter cloacae.
Возможно применение различных энзимов (ферментов) для ускорения производства водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), содержащихся в биомассе. Процесс проходит при температуре 30 °C и нормальном давлении. Себестоимость водорода около $2 за кг.
В 1999г. учёные калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) обнаружили, что если водорослям не хватает кислорода и серы, то процессы фотосинтеза у них резко ослабевают и начинается бурная выработка водорода.
Это наблюдение может ускорить решение задачи по промышленному производству биоводорода.
ru.wikipedia.org/wiki/Биотопливо
Копирайтер: Прохорова Оксана
