Биотопливо: перспективы использования

Первичное производство биомассы осуществляется путём культивирования  фитопланктона в искусственных  водоемах, создаваемых на морском  побережье.

Вторичные процессы представляют собой метановое брожение биомассы и последующее гидроксилирование  метана с получением метанола.

Основными доводами в пользу использования микроскопических водорослей являются следующие:

• высокая продуктивность фитопланктона (до 100 т/га в год);
• в производстве не используются ни плодородные почвы, ни пресная вода;
• процесс не конкурирует с сельскохозяйственным производством;
• энергоотдача процесса достигает 14 на стадии получения метана и 7 на стадии получения метанола;

С точки зрения получения  энергии данная биосистема имеет  существенные экономические преимущества по сравнению с другими способами  преобразования солнечной энергии.

3. Биобутанол

Бутанол- C4H10O — бутиловый  спирт. Бесцветная жидкость с характерным  запахом. Широко используется в промышленности. В США ежегодно производится 1,39 млрд литров бутанола приблизительно на $1,4 млрд.

Бутанол начал производиться  в начале XX века с использованием бактерии Clostridia acetobutylicum. В 50-х годах  из-за падения цен на нефть начал  производиться из нефтепродуктов.

Бутанол не обладает коррозионными  свойствами, может передаваться по существующей инфраструктуре. Может, но не обязательно должен, смешиваться  с традиционными топливами. Энергия  бутанола близка к энергии бензина. Бутанол может использоваться в топливных элементах, и как сырьё для производства водорода.

Сырьём для производства биобутанола могут быть сахарный тростник, свекла, кукуруза, пшеница, маниока, а в будущем и целлюлоза. Технология производства биобутанола разработана  компанией DuPont Biofuels. Компании Associated British Foods (ABF), BP и DuPont строят в Великобритании завод по производству биобутанола  мощностью 20 000 литров в год из различного сырья.

4. Диметиловый эфир

Пальмовое масло — сырьё  для производства биодизеля

Диметиловый эфир (ДМЭ) — C2H6O.

Может производиться как  из угля, природного газа, так и из биомассы. Большое количество диметилового эфира производится из отходов целлюлозо-бумажного  производства. Сжижается при небольшом  давлении.

Диметиловый эфир — экологически чистое топливо без содержания серы, содержание оксидов азота в выхлопных  газах на 90 % меньше, чем у бензина. Применение диметилового эфира не требует  специальных фильтров, но необходима переделка систем питания (установка  газобалонного оборудования, корректировка  смесеобразования) и зажигания двигателя. Без переделки возможно применение на автомобилях с LPG-двигателями  при 30 % содержании в топливе.

В июле 2006 года Национальная Комиссия Развития и Реформ (NDRC) (Китай) приняла стандарт использования  диметилового эфира в качестве топлива. Китайское правительство будет  поддерживать развитие диметилового эфира, как возможную альтернативу дизельному топливу. В ближайшие 5 лет Китай  планирует производить 5-10 млн тонн диметилового эфира в год.

Департамент транспорта и  связи Москвы подготовил проект постановления  городского правительства «О расширении применения диметилового эфира и  других альтернативных видов моторного  топлива».

Автомобили с двигателями, работающими на диметиловом эфире, разрабатывают KAMAZ, Volvo, Nissan и китайская компания SAIC Motor.

5. Биодизель

Биодизель — топливо на основе жиров животного, растительного  и микробного происхождения, а также  продуктов их этерификации.

Для получения биодизельного  топлива используются растительные или животные жиры. Сырьём могут  быть рапсовое, соевое, пальмовое, кокосовое  масло, или любого другого масла-сырца, а также отходы пищевой промышленности. Разрабатываются технологии производства биодизеля из водорослей.

6. Биотопливо  второго поколения

Биотопливо второго поколения  — различное топливо, полученное различными методами пиролиза биомассы, или прочие виды топлива, помимо метанола, этанола, биодизеля произведенное  из источников сырья «второго поколения».

Источниками сырья для  биотоплива второго поколения являются лигно-целлюлозные соединения, остающиеся после того, как пригодные для  использования в пищевой промышленности части биологического сырья удаляются. Использование биомассы для производства Биотоплива второго поколения направленно  на сокращение количества использованной земли, пригодной для ведения сельского хозяйства. К растениям — источникам сырья второго поколения относятся:

• Водоросли — являющиеся простыми организмами, приспособленными к росту в загрязненной или соленой воде (содержат до двухсот раз больше масла, чем источники первого поколения, таких как соевые бобы);
• Рыжик — растущий в ротации с пшеницей и другими зерновыми культурами.
• Jatropha curcas или Ятрофа — растущее в засушливых почвах, с содержанием масла от 27 до 40 % в зависимости от вида.

Быстрый пиролиз позволяет  превратить биомассу в жидкость, которую  легче и дешевле транспортировать, хранить и использовать. Из жидкости можно произвести автомобильное  топливо, или топливо для электростанций.

Из биотоплив второго  поколения, продающихся на рынке, наиболее известны BioOil производства канадской  компании Dynamotive и SunDiesel германской компании CHOREN Industries GmbH

По оценкам Германского  Энергетического Агентства (Deutsche Energie-Agentur GmbH) (при ныне существующих технологиях) производство топлив пиролизом биомассы может покрыть 20 % потребностей Германии в автомобильном топливе. К 2030 году, с развитием технологий, пиролиз  биомассы может обеспечить 35 % германского  потребления автомобильного топлива. Себестоимость производства составит менее €0,80 за литр топлива.

Создана «Пиролизная сеть» (Pyrolysis Network PyNe) — исследовательская организация, объединяющая исследователей из 15 стран Европы, США и Канады.

Газообразное биотопливо

1. Биогаз

Биогаз — продукт сбраживания  органических отходов (биомассы), представляющий смесь метана и углекислого газа. Разложение биомассы происходит под  воздействием бактерий класса метаногенов.

История биогаза началась еще в начале XVII века, когда бельгийский доктор Ян Баптист ван Гельмонт заметил, что выделяющийся из разлагающейся биомассы «воздух» хорошо горит. Именно Ян Баптист предложил называть летучие воздухоподобные субстанции «газом» вместо слишком уж общего применявшегося до того греческого термина «хаос». Полтора столетия спустя, в 1776 году, Алессандро Вольта, исследуя «животное электричество», пришел к выводу о несомненной связи количества биомассы и количества выделяемого ею газа. Это сейчас нам такое наблюдение кажется банальным, а во времена, когда люди считали, что метан — это просто испорченный при прохождении через мертвую органику воздух, открытие Вольта было воспринято как сенсация. Сам метан в биогазе обнаружил английский химик Хэмфри Дэви в самом начале XIX века, а первая установка по его промышленному получению была создана в Индии, в Бомбее, еще в 1859 году.

Биогаз также является одним из перспективных видов  биотоплива. Плюс его заключается в том, что получать его можно из любой органики. В дело идут шелуха от семечек, сухие листья, навоз, птичий помет, пищевые отходы. Производство биогаза предельно просто. Сырье для него закладывается в особый герметичный реактор, где оно и разлагается в отсутствие кислорода при постоянном подогреве и перемешивании. Помогают ему в этом особые анаэробные бактерии. В процессе брожения не только вырабатывается необходимый биогаз, но и убивается вся вредоносная микрофлора, а также устраняются неприятные запахи. В результате на выходе получается не только топливо, но и идеальное удобрение, более эффективное, чем простой навоз. От одной коровы можно получить до 2,5 кубометра биогаза за сутки. Такого количества легковому автомобилю хватит для 30-километрового пробега. Примерно такой же производительностью обладают 5 телят на откорме, 8 свиней, 15 человек или 300 кур.

 

2. Биоводород

Биоводород — водород, полученный из биомассы термохимическим, биохимическим или другим способом, например водорослями.

3. Метан

Метан синтезируется после  очистки от всевозможных примесей так  называемого синтетического природного газа из углеродосодержащего твердого топлива, такого как уголь или  древесина. Этот экзотермический процесс  происходит при температуре от 300 до 450 °C и давлении 1−5 бар в присутствии  катализатора. В мире уже имеется  несколько введенных в эксплуатацию установок получения метана из древесных отходов.

Биотопливо третьего поколения

Биотопливо третьего поколения  — топлива, полученные из водорослей.

Департамент Энергетики США  с 1978 года по 1996 года 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 1000 м². Пруд в Нью-Мексико  показал высокую эффективность  в захвате СО2. Урожайность составила  более 50 гр. водорослей с 1 м² в день. 200 тысяч гектаров прудов могут производить  топливо, достаточное для годового потребления 5 % автомобилей США. 200 тысяч  гектаров — это менее 0,1 % земель США, пригодных для выращивания  водорослей. У технологии ещё 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 годов  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.

Практическое  применение:

Биотопливо в Европе

Европейская комиссия поставила  задачу использовать к 2020 году альтернативные источники энергии как минимум  в 10 % транспортных средств. Есть также  промежуточная цель в 5,75 % к 2010 г.

В ноябре 2007 в Великобритании было создано Агентство по возобновляемому  топливу (англ. Renewable Fuels Agency), которое  должно контролировать введение требований к использованию возобновляемого  топлива. Председателем комитета стал Эд Галлахер (Ed Gallaher), бывший исполнительный директор Агентства по окружающей среде.

Дебаты по поводу жизнеспособности биотоплива на протяжении 2008 года привели  к повторному всестороннему исследованию проблемы комиссией, возглавляемой  Галлахером. Было рассмотрено непрямое влияние использования биотоплива на производство пищевых продуктов, разнообразие выращиваемых культур, цены на продовольствие и площадь сельскохозяйственных земель. В отчете предлагалось снижение динамики внедрения биотоплива до 0,5 % в год. Цель в 5 процентов, таким образом, должна быть достигнута не ранее, чем в 2013/2014 г., на три года позже, чем было изначально предложено. Более того, дальнейшее внедрение должно быть сопряжено с обязательным требованием к компаниям применять новейшие технологии, ориентированные на топливо второго поколения.

C 1 апреля 2011 года на более  чем 300 шведских заправочных станциях  можно приобрести новый дизель. Швеция стала первой страной  в мире, где можно заправлять  машины эко-дизелем, сделанным  на основе масла шведских сосен.  «Это хороший пример того, как  можно использовать многие ценные  составляющие леса и как наше  „зеленое золото“ может дать  и больше рабочих мест и  лучше климат» — министр сельского  хозяйства страны Эскиль Эрландссон/Eskil Erlandsson.

Биотопливо в России

По данным Росстата, в 2010 году российский экспорт топлива растительного  происхождения (в том числе солома, жмых, щепа и древесина) составил более 2,7 млн тонн. Россия входит в тройку стран экспортеров топливных  пеллет на европейском рынке. Всего  около 20 % произведённых биотоплив потребляется в России.

Потенциальное производство в России биогаза – до 72 млрд м³ в год. Потенциально возможное производство из биогаза электроэнергии составляет 151 200 ГВт, тепла – 169 344 ГВт.

В 2012 — 2013 годах планируется  ввести в эксплуатацию более 50 биогазовых электростанций в 27 регионах России. Установленная  мощность каждой станций составит от 350 кВт до 10 МВт. Суммарная мощность станций превысит 120 МВт. Общая стоимость  проектов составит от 58,5 до 75,8 млрд рублей (в зависимости от параметров оценки). Реализацией данного проекта  занимаются ГК «Корпорация «ГазЭнергоСтрой» и Корпорация «БиоГазЭнергоСтрой».

Биотопливо: перспективы

Эксперты выделяют ряд  преимуществ биоэкономики. В социальной сфере – это диверсификация экономики сельского хозяйства и ее рост; развитие сельских регионов; улучшение социальной ситуации в городах, где расположены гидролизные заводы; укрепление здоровья человека, благоприятные перемены в экологии и качестве жизни.

В экономике - снижение себестоимости, более тщательный контроль свойств  продукции; появление новых продуктов  и рынков; снижение зависимости торговли от энергоресурсов.

В экологии биоэкономика позволяет  предотвращать загрязнение окружающей среды, снижать объемы выбросов газов, вызывающих парниковый эффект, и других ядовитых веществ; создавать новые  материалы, химикаты и топливо из биомассы; использовать продукты многоразового  использования и переработки.

По подсчетам бразильских  и американских ученых, каждый миллион  литров производимого биоэтанола создает 38 прямых рабочих мест. Поэтому биозаводы  появляются там, где они нужны. Рабочие  места формируются не «у нефтяной трубы», а в сельскохозяйственных регионах.

Сырьем для большинства  продуктов биоэкономики становятся сахар (глюкоза), крахмал (зерно, сахарный тростник) или целлюлоза (солома, опилки). Один из наиболее современных биозаводов - завод компании Dupont, производящий в год 100 тыс. т биопластика из кукурузы. Этот биопластик по себестоимости  и потребительским качествам  превосходит нейлон. Наиболее значительные продукты биоэкономики - биоэтанол  и биодизель - единственные возобновляемые жидкие топлива, использование которых  в качестве добавки к автомобильному топливу не требует изменения  конструкции двигателей.