Биомасса - источник энергии

 

Метод прямой конверсии биомассы в топливо.

Джоржем Хубером и двумя его студентами из университета штата Массачусетс был разработан метод прямой конверсии биомассы в топливо. Они опубликовали в журнале ChemSusChem статью с описанием метода селективного каталитического пиролиза целлюлозы, результатом которого является образование ароматических соединений (нафталин, толуол, этилбензол и др.), среди побочных продуктов - твердый углеродный материал, СО, СО2 и вода.

Реакцию проводили при 600 C на цеолитном катализаторе ZSM5. Процесс завершался всего за две минуты. Исходным реагентом служил очищенный порошок целлюлозы.

Представления о механизме процесса включают несколько  элементарных реакций - разложение целлюлозы  с образованием органических соединений, содержащих кислород, затем реакции  этих соединений внутри пор катализатора, где происходит дегидрирование, декарбонилирование, олигомеризация и другие химические превращения.

Эксперты  высоко оценили новую работу, хотя сами авторы признают, что это лишь первый шаг к эффективному преобразованию биомассы в моторное топливо. Первым делом предстоит изучить возможность  использования сырой биомассы, а  не порошка целлюлозы. Далее, основными  продуктами пиролиза являются ароматические  соединения, а их, согласно требованиям  правительственной организации  США - Агентства по охране окружающей среды - не должно быть больше 25% в общей  массе бензина. Значит, придется ограничиться добавкой полученной ароматики к алканам, либо проводить дополнительную реакцию гидрирования.

Тем не менее, несмотря на все эти ограничения, процесс д-ра Хубера привлечет большое внимание коллег и даст толчок к дальнейшим исследованиям в области экологически чистой энергетики, не приводящей к росту содержания углекислого газа в атмосфере.

Биодизельное топливо.

Биодизель (биодизельное топливо) - это экологически чистый вид топлива, альтернативный по отношению к минеральным видам, получаемый из растительных масел, и используемый для замены (экономии) обычного дизельного топлива. Сырьем для производства биодизеля могут быть различные растительные масла: рапсовое с химической точки зрения биодизель представляет собой метиловый эфир. При его производстве, в процессе этерификации, масла и жиры вступают в реакцию с метиловым спиртом и гидроксидом натрия, служащим катализатором, в результате чего образуются жирные кислоты, а также побочные продукты: глицерин и другие.

Биодизель может использоваться в обычных двигателях внутреннего сгорания, как самостоятельно, так и в смеси с обычным дизтопливом, без внесения изменений в конструкцию двигателя.

Обладая примерно одинаковым с минеральным  дизельным топливом энергетическим потенциалом, биодизель имеет ряд существенных преимуществ:

• он не токсичен, практически не содержит серы и канцерогенного бензола;
• разлагается в естественных условиях (примерно так же, как сахар);
• обеспечивает значительное снижение вредных выбросов в атмосферу при сжигании, как в двигателях внутреннего сгорания, так и в технологических агрегатах;
• увеличивает цетановое число топлива и его смазывающую способность, что существенно увеличивает ресурс двигателя;
• имеет высокую температуру воспламенения (более 100 °С), что делает его использование относительно безопасным;
• его источником являются возобновляемые ресурсы;

Биодизель получил широкое распространение во многих странах мира. Среди них, Германия, Австрия, Чехия, Франция, Италия, Швеция, США, а также другие страны. Специалисты по моторной технике считают биодизель лучшим топливом для моторов с самовоспламенением.

Сырьём  для производства биодизеля служат жирные, реже — эфирные масла различных растений или водорослей.

Европа  — рапс;

США —  соя;

Канада  — канола (разновидность рапса);

Индонезия, Филиппины — пальмовое масло;

Филиппины — кокосовое масло;

Индия —  ятрофа, (Jatropha);

Африка  — соя, ятрофа;

Бразилия  — касторовое масло.

Также применяется  отработанное растительное масло, животные жиры, рыбий жир и т. д.

 

Недостатки биодизеля.

• В холодное время года необходимо подогревать топливо, идущее из топливного бака в топливный насос, или применять смеси 20 % биодизеля и 80 % солярки марки В20.
• Долго не хранится (около 3 месяцев)
• Производство топлива из растений занимает сельскохозяйственные площади.

Биодизель в России.

В России не существует единой государственной  программы развития биодизельного топлива, но создаются региональные программы, например Алтайская краевая целевая программа «Рапс — биодизель». В Липецкой области создана Ассоциация Производителей Рапсового Масла.

Планируется строительство заводов по производству биодизеля в: Липецкой области, Татарстане, Алтайском крае, Ростовской области, Волгоградской области, Орловской области, Краснодарском крае, Омской области.

Древесные отходы.

Древесина добывается на постоянной основе: в  лесах в процессе вырубки. Оценить  ежегодный прирост лесов на Земле  достаточно сложно. По одной из приблизительных  оценок он составляет 12,5x109 м3/год с  содержанием энергии 182 ЭДж. Это соответствует 1,3 от общего потребления угля на планете. Среднегодовая добыча древесины в период 1985-1987г.г. составила 12,5x109 м3/год (эквивалент 40 ЭДж/год). Таким образом, часть прироста может быть дополнительно использована в энергетических целях в процессе ухода за лесами и, в озможно, даже увеличения при этом их производительности.

В процессе прореживания лесных плантаций создается  большое количество древесных отходов. Сегодня они зачастую остаются гнить  на месте. Это происходит даже в странах, в которых ощущается недостаток топлива. Древесные отходы могут  быть собраны, высушены и использованы в качестве топлива частными и  местными промышленными потребителями, однако большой объем и влажность  делают их транспортировку экономически нецелесообразной. В развивающихся странах, широко использующих древесный уголь в качестве топлива, производство угля в печах на месте образования отходов может уменьшить расходы на транспортировку. Механические рубительные машины для производства древесной щепы (30-40 мм) были созданы в Европе и Северной Америке в течение последних 15 лет. Такая щепа может быть легко высушена и использована в специализированных котлах. Использование порубочных остатков для отопления и/или производства электроэнергии представляет собой растущий бизнес во многих странах. Американские энергоснабжающие компании имеют более 9000 МВт мощностей, работающих с использованием биомассы (эквивалент 9 атомных блоков). Большинство установок построено за последние 10 лет. В Австрии общая мощность домашних котлов и котлов централизованного теплоснабжения (ЦТ), сжигающих древесные отходы, кору и щепу, достигает 1250 МВт. Мощность большинства котлов ЦТ находится в диапазоне 1-2 МВт. Имеется несколько установок большей мощности (15 МВт) и большое количество малых когенерационных установок.

Следующим источником древесных отходов является обработка деловой древесины. Сухие  опилки и другие отходы, возникающие  в процессе распиловки, представляют собой качественное топливо. По существующим оценкам, британская мебельная промышленность поставляет 35000 тонн таких отходов  в год (третья часть от общего количества), обеспечивая 0,5 ПДж энергии для отопления и горячего водоснабжения, а также для получения пара. В Швеции, где биомасса уже сегодня обеспечивает около 15% первичной энергии, отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности дают 200 ПДж в год, в основном в качестве топлива для ТЭЦ.

Древесное топливо составляет 10% топлива, используемого  в мире. В Азии и Латинской Америке  его доля составляет 20%, в Африке - 50%. При этом древесина является главным источником энергии, особенно в бытовых целях, во многих бедных развивающихся странах. В 22 странах  древесное топливо обеспечивает от 25 до 49% потребления энергии, в 17 странах - 50-74% и в 26 странах - 75-100%.

Увеличение  использования древесного угля в  Европе связано с промышленной революцией в Англии в 17 - 18 веках. В Швеции потребление  древесного угля выросло в течение 19 столетия в связи с производством  металла, в частности, высококачественной стали. Сегодня древесный уголь  остается важным видом бытового и, в  меньшей степени, промышленного  топлива во многих развивающихся  странах. Он преимущественно используется в городах, где простота хранения, высокая теплотворная способность (30 МДж/кг по сравнению с 15 МДж/кг для  древесины), меньшее количество дымовых выбросов и устойчивость к насекомым делают его более привлекательным, чем древесное топливо. В крупных городах Танзании доля древесного угля составляет 90% общего энергопотребления.

Отходы сельского хозяйства.

Сельскохозяйственные отходы представляют собой огромный источник биомассы. Отходы растениеводства и животноводства обеспечивают значительное количество энергии, уступающее только древесине, которая является главным видом  топлива из биомассы на Земле. Сельскохозяйственные отходы включают: отходы растительных культур, например, солому, некондиционную продукцию и излишки производства, а также отходы животноводства в  виде навоза. В Индии в 1985 году в  качестве топлива было использовано 110 млн тонн навоза и растительных остатков, что близко к объему использования  древесины - 133 млн тонн. В Китае  количество сельскохозяйственных отходов  в 2,2 раза превышает количество древесного топлива.

Каждый  год в мире образуются миллионы тонн соломы. Более половины этого количества не используется. Во многих странах  она сжигается на полях или  запахивается в землю. В некоторых  развитых странах экологическое  законодательство запрещает сжигание соломы на полях. Это привлекло внимание к соломе как к потенциальному источнику энергии.

Энергетическое  использование растительных остатков вызывает вопрос о том, какое количество может быть использовано без негативного  воздействия на урожай. В соответствии с опытом развитых стран, около 35% растительных остатков может быть удалено без  воздействия на будущий урожай.

Промышленные  отходы, содержащие биомассу, также  могут быть использованы для производства энергии. Например, из отходов производства спирта можно получить горючий газ. Другие полезные виды отходов включают отходы пищевой и текстильной промышленности.

 

Быстрорастущие растения.

Биомасса  может специально выращиваться на энергетических плантациях в виде деревьев или других видов растений, например, травы (сорго, сахарный тростник). Все эти виды растений могут быть использованы в  качестве топлива. Основным преимуществом  при этом является короткий период выращивания - обычно от трех до восьми лет. Для некоторых видов трав урожай может собираться каждые 6-12 месяцев. В мире существует около 100 миллионов гектаров земли, используемой для плантаций древесных культур.

Важными параметрами при выборе видов  растений для выращивания на энергетических плантациях являются: наличие вида на местном рынке, простота разведения, устойчивость развития в неблагоприятных  условиях и продуктивность, выраженная в производстве сухой биомассы на гектар в год (т/га/год). Продуктивность представляет собой параметр, определяющий способность растения использовать местные ресурсы. Это наиболее важный фактор при решении вопроса о  производстве биомассы с целью оптимизировать ее производство на определенной территории в определенный период времени с  наименьшими затратами. По этой причине  высокопроизводительные виды биомассы предпочтительны для производства энергии.

Некоторые виды растений демонстрируют  высокую продуктивность по сравнению  с другими при выращивании  в одинаковых условиях. Несмотря на то, что продуктивность различных  древесных пород зависит от типа почвы и климата, некоторые породы деревьев явно выделяются на общем  фоне. Например, некоторые сорта  эвкалипта имеют продуктивность 65 т/га/год сухой биомассы.

 

Выращивание и переработка водорослей.

        Специальное выращивание биомассы в виде микроскопических водорослей с последующим ее перебраживанием в спирт или метан позволяет создать искусственный аналог процесса образования органических топлив, превосходящий по скорости естественные процессы в миллионы раз. Соотношение между величиной первичной биологической продукции и веществом, захороненным и сохранившимся в морских осадках, составляет 1000:1.

Создание  специальных условий может многократно  ускорить образование топлива. КПД  фотосинтеза благодаря оптимизации  питания биогенными элементами, температуре  и перемешиванию может быть увеличен от 1,1 до 10 процентов. В процесс переработки  биомассы в газ и нефть может  быть включено все вещество, а не 0,001 его часть, как происходит в  природе, то есть естественный процесс  образования углеводородов может  быть значительно интенсифицирован. С этой точки зрения, большой интерес  вызывает одноклеточная водоросль  ботриококкус, содержание углеводородов в которой достигает 80 процентов от сухого веса.