Альтернативой традиционным энергоресурсам являются различные виды биотоплива, для изготовления которых используется растительное либо животное сырье, отходы промышленности и результаты жизнедеятельности организмов.
Предлагаем разобраться в достоинствах и недостатках применения такого горючего, узнать особенности производства, функциональные характеристики, а также оценить эффективность использования разных типов биологического топлива. Приведенная информация поможет сориентироваться в выборе альтернативных источников энергоресурсов.
Сырье
Приставка “био” указывает на растительное (биологическое) происхождение, отсутствие отрицательного воздействия на климат и экологические преимущества. Сырьем для производства биотоплива служат:
- отходы животноводства,
- масличные растения,
- зерновые культуры,
- сахарная свекла или тростник,
- древесина и ее отходы,
- энергетические растения.
Выделяют 3 поколения самого экологически чистого топлива, хотя четкой границы между ними не существует. Для производства энергоносителей первого поколения берут растения с высоким содержанием жиров, сахаров, крахмала. Топливо второго поколения получают путем переработки древесины, травы, не пригодных для употребления в пищу остатков сельскохозяйственных культур. Энергоносители из водорослей относятся к третьему поколению. Биологическая продуктивность у водных организмов значительно выше, чем у наземных растений.
Важными критериями оценки потенциала и экологичности биотоплива являются урожайность и цена.
Виды топлива по физическому состоянию
По агрегатному состоянию энергоносители бывают твердыми, жидкими, газообразными. К основным видам сырья для получения твердого биотоплива относятся дрова, опилки, щепа, навоз. Реже перерабатываются скорлупа грецкого ореха, оливковые косточки, подсолнечная шелуха, кукурузная мезга. Перед использованием в печах и котлах сырье сушат, измельчают, просеивают, прессуют в гранулы (пеллеты) или брикеты, гомогенизируют. Конечные потребители продукта —теплоэлектростанции и частные дома.
Жидкое
Среди перспективных видов жидкого биотоплива растительные масла, биодизель, биоэтанол, биобутанол и биометанол. В будущем они, возможно, полностью заменят дизтопливо и бензин.
Топливо из растительного масла
Состоит из необработанного или рафинированного растительного масла (чаще всего рапсового) в чистом виде. Применяется вместо дизтоплива, но отличается от него по химическим характеристикам, поэтому требует модификации двигателей. Производится на крупных заводах (экстракция) и на небольших маслоэкстракционных предприятиях (холодное прессование). Главный недостаток рапсового биотоплива — окисление под воздействием кислорода и потеря текучести зимой.
Биобутанол
Известен также как бутиловый спирт, получаемый из биомассы:
- сахара,
- крахмала,
- соломы,
- древесины.
Если используются материалы с высоким содержанием целлюлозы (солома, древесина), то полученный продукт называют также целлюлозным бутанолом. Как источники энергии особенно важны n-бутанол и изобутанол (i-бутанол). Их добавляют в топливо для карбюраторных двигателей, а n-бутанол даже подмешивают к дизелю или применяют в чистом виде.
Биодизель
Представляет собой метиловые эфиры жирных кислот (МЭЖК), получаемые из растительных масел. Служит экологически чистой альтернативой дизельному топливу и имеет сходные с ним физико-химические характеристики.
Изготавливается биодизель в основном из рапса на крупных установках циклического действия.
Производительность современного оборудования составляет около 200 000 т в год.
Биоэтанол
Заменяет бензин, производится путем ферментации биогенного сырья и последующей перегонки. Сырьем для изготовления биоэтанола преимущественно служат:
- зерновые культуры (пшеница, рожь);
- сахарная свекла;
- кукуруза.
Поскольку химические свойства продукта отличаются от характеристик бензина, требуется изменение конструкции двигателей транспортных средств.
Биометанол
Применяется вместо обычного метилового спирта — одного из главных видов сырья в химической промышленности. Бесцветная, легко воспламеняющаяся жидкость с запахом спирта входит в состав топлива. Мировой спрос на метанол в 2015 году составил около 65 млн тонн. Для получения этого вещества, состоящего из монооксида углерода, воды и кислорода, используются невозобновляемые ресурсы: природный газ и уголь.
Поэтому ученые пытаются найти эффективные методы производства биоэтанола из микроскопических водорослей — фитопланктона.
Тип 1
Типичные представители этой сырьевой группы – торф, древесина, продукты жизнедеятельности животных и людей.
Древесина
Люди издревле использовали дрова для отопления жилищ и готовки еды. Эта практика и сегодня встречается в разных странах, где с помощью древесины получают тепловую и электроэнергию. К примеру, именно на дровяном топливе работает известная австрийская теплоэлектростанция мощностью 66 МВт.
К минусам этого сырья относят его небольшую энергетическую ценность. Также сжигание дров сопровождается оседанием сажи, которую необходимо периодически очищать. Важно понимать, что новые деревья растут не очень быстро: как правило, на это требуется не менее 15-20 лет.
Хорошей альтернативой дровам выступают пеллеты, изготовляемые из некондиционных древесных отходов – коры, щепы, сучков, опилок и т.п. Чтобы получить удобные гранулы, сырье измельчается до состояния пыли. Далее готовую массу сушат и спрессовывают при высокой температуре. В составе древесины содержится лигнин, обладающий клейкими характеристиками. Это облегчает формирование небольших цилиндрических гранул длиной 5-70 мм и толщиной 6-10 мм. Изготовлять пеллеты можно самостоятельно, используя специальный пресс.
Нередко в качестве биотоплива используют щепу: именно этот материал является главным топливом на европейских ТЭЦ. Вырабатывают щепу на лесозаготовках или специальных предприятиях, где установлены станки-шредеры.
Торф
Этот популярный вид биотоплива бывает болотным и лесным. Его широко используют на различных производствах и в быту. Под торфом понимается частично разложившийся мох или трава. Как правило, торфяные залежи чаще всего расположены в болотах и лесах. Такими запасами могут похвалиться многие страны, включая Россию, Белоруссию, Канаду, Швецию, Украину и пр.
Экономически выгодно организовывать переработку сырья непосредственно на участках его добычи. Вначале торф очищают и просеивают, извлекая из его состава посторонние выключения. Далее материал сушат и формуют в брикеты или гранулы.
Сельскохозяйственные отходы
В ходе производства сельскохозяйственной продукции остается достаточно много отходов растительного происхождения – скорлупы орехов, оболочек растений, соломы и пр. Из этого сырья путем прессовки и гранулирования можно получить качественные пеллеты, которые по своим показателям ничем не отличаются от древесного материала.
Животное биотопливо
Кроме дров, древние люди широко использовали в качестве топлива отходы жизнедеятельности животных, в частности – кизяки (так называют сухой навоз). Путем высушивания и переработки из кизяка можно получить качественное твердое биотопливо без специфического запаха.
Учитывая тот факт, что в современном мире отходы животноводства накапливаются в больших объемах, использование их для производства топлива дает возможность одновременно решить задачу по их утилизации.
Газообразное
К газообразным видам топлива, получаемым из биологической массы, относятся биогаз, биометан и биоводород. Это будущая альтернатива природному газу, бензину, керосину.
Биогаз и биометан
Биогазом называют газ, который получают из энергетических растений, птичьего помета, канализационных стоков, жидкого навоза и/или органических побочных продуктов. При последующей переработке в биометан из него удаляют диоксид углерода и сероводород, а оставшийся продукт сжимают (уплотняют). Он хорошо подходит для транспортных средств, переоборудованных для работы на природном газе. Биометаном заменяют также бензин.
Биоводород
В основе производства биоводорода лежат биологические или химические процессы. В лабораторных масштабах его получают путем анаэробного сбраживания. Из богатых энергией органических соединений (белки, углеводы, жиры) бактерии наряду с CO2 синтезируют H2.
В промышленных масштабах биоводород получают путем термохимической обработки (газификация или пиролиз) и парового риформинга из:
- биомассы (древесина, солома, сено и т. д.),
- других носителей биоэнергии (биогаз, биоэтанол и др.)
Второй способ производства биотоплива — использование живой биомассы (например, цианобактерии, водоросли). В ходе отдельных метаболических процессов (фотосинтез, фиксация азота) водород вырабатывают определенные ферменты, такие как нитрогеназа или гидрогеназа.
Достоинства энергоресурса
Биологический и научный интерес к природным энергетическим ресурсам возникает благодаря следующим положительным качествам продукта:
- Экономическая доступность материала. Для покупки нефти или природного газа многие страны тратят большие деньги. Экономика государства терпит убытки. Добыть биологическое топливо можно практически в любой стране. Производство горючего на местах сократит расходы на импорт зарубежных энергоресурсов.
- Мобильность. Ветряные или солярные установки предназначены исключительно для стационарного использования. Не поддаются перевозке. Биологические материалы при необходимости можно перевозить с одного региона в другой.
- Биологическое топливо является возобновляемым ресурсом. Растение и отходы животных никогда не исчезнут.
- Природный ресурс уменьшает количество выбросов парникового газа в атмосферу. Предотвращает вероятность наступления глобального потепления.
- Использование биотоплива для двигателей автомобиля уменьшает затраты на его техническое обслуживание.
В недалеком будущем работа горючего топлива будет обходиться дешевле, нежели использование бензина.
Производство экотоплива в России
В Российской Федерации новая отрасль развивается медленно. В основном налажено производство дров, топливных гранул и брекетов. Большая часть пеллет (80%) идет на экспорт. Разрабатываются региональные программы интенсификации использования биодизеля.
Высоким является потенциал развития производства биогаза, особенно в Южном, Приволжском и Центральном округах страны.
Твердое биотопливо в России используется уже давно. Некоторые его виды россияне умеют делать самостоятельно. Например, кизяк (высушенный навоз) в большом количестве заготавливают жители Западной Сибири.
Недостатки биотоплива
1. Многие методы получения биотоплива все еще находятся в стадии разработки или прототипа. Практический опыт широкомасштабного применения пока отсутствует.
2. Высокие производственные расходы. Согласно немецкому Институту им. Роберта Коха, биоводород обходится в 4-5,5 раз дороже, чем бензин.
3. Выращивание энергетических культур может конкурировать с выращиванием продуктов питания. Увеличение спроса на альтернативные энергоносители считается одним из факторов, спровоцировавших возникновение кризиса цен на продовольствие в 2007-2008 годах.
4. По своим физико-химических свойствам биотопливо часто отличается от обычного , поэтому приходится производить адаптацию двигателей.
5. Поскольку производители склонны использовать при выращивании энергетических культур больше пестицидов и удобрений, страдают экология и жители расположенных рядом с полями поселков.
Преимущества биотоплива
1. При массовом внедрении регенеративных видов топлива ожидается значительное сокращение выбросов углекислого газа (на 50-70%) транспортными средствами. При сжигании биотоплива, в отличие от обычного, выделяется столько же CO2, сколько растения поглощают из воздуха в период роста.
2. Целенаправленное использование отечественного биотоплива в промышленности, сельском, коммунальном, транспортном и лесном хозяйстве приводит к снижению потребления сырой нефти. Это позволит надолго обеспечить сырьем предприятия тех отраслей, где минеральному сырью до сих пор нет альтернативы. Среди них заводы пластмасс и фармацевтические фабрики.
3. Подготовка, транспортировка, хранение и использование биологических видов топлива не связаны с риском возникновения экологической катастрофы, поскольку они легко разлагаются и не наносят вреда воде и почве. Предположение, что разведение энергетических растений приведет к распространению монокультур, считается необоснованным. Рапс, например, растет на одном участке не больше 4 лет подряд. Глубоко укореняясь, он и другие масличные культуры разрыхляют почву, делая ее пригодной для растений с поверхностной корневой системой (зерновые, кукуруза).
4. Производство биотоплива помогает в утилизации отходов сельского хозяйства и промышленных предприятий.
5. Биотопливо отличается низким потенциалом опасности для человека и окружающей среды.
Историческая справка
Первые шаги к созданию биотоплива предпринимались с появления бутанола (бутилового спирта). Тогда использовался процесс ферментации с участием бактерии Clostridium acetobutylicum, называемый также ABE-процессом по названию трёх конечных продуктов брожения – ацетона, бутанола и этанола. Огромное значение в развитии биотоплива сыграла автопромышленность. Уже в 1826 американский изобретатель С. Мори создал двигатель, топливом для которого служили спирт и скипидар. Было доказано, что растительное масло вполне можно употреблять в качестве горючего для паровых машин и пароходов. В 1876 немецкий изобретатель Н. Отто создал первый в мире четырёхтактный двигатель внутреннего сгорания, работавший на этаноле. Различными модификациями этого двигателя мы пользуемся до сих пор. Создавались и ещё более необычные проекты. Например, в 1895 Р. Дизель предложил тип дизельного мотора, основанного на использовании арахисового масла. Г. Форд был настолько уверен в будущем спиртовых автомобилей, что даже построил на Среднем Западе США спиртоперегонный завод, куда вложил немалые средства. Во время 1-й мировой войны автомобили большинства стран мира использовали этанол в качестве топлива наряду с бензином.
В 17 в. Я. Б. ван Гельмонт обнаружил, что разлагающаяся биомасса выделяет воспламеняющиеся газы. А. Вольта в 1776 пришёл к выводу о существовании зависимости между количеством разлагающейся биомассы и количеством выделяемого газа. В 1808 сэр Г. Дэви обнаружил метан в биогазе. Первая биогазовая установка была построена в Бомбее в 1859. В 1895 биогаз применялся в Великобритании для уличного освещения. В 1930, с развитием микробиологии, были обнаружены бактерии, участвующие в процессе производства биогаза. В СССР исследования проводились в 1940-х гг.; в 1948–54 была разработана и построена первая лабораторная установка. Наблюдается устойчивая тенденция использовать биогаз для решения самых разнообразных энергетических вопросов: отопления жилья, получения электричества, производства надёжного автомобильного топлива. В то же время механизмы его производства постоянно совершенствуются, разрабатываются новые, более практичные и экономные способы получения качественного топлива.
