Текст книги "Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз. Теория и практика. Монография"

5-1. БИОМАССА

5-2.Эбеновое дерево., www.redfloor.ru

5-3.Быстрорастущая пальма www.vmireinteresnogo.com.

5-4.Гибридный тополь – тополь советский. www.sadoved.com.

5-5.Гибридные пирамидальные тополя. www.pushkino.tv.

5-6.Betula maximowicziana(берёза Максимовича) www.

imperiasada.com.ua.

5-7. Кипарисовик Лавсона “Columnaris” 190–210 см www.green-park.kg.

5-8.Хвойное дерево. Быстрорастущий сорт Туи www.uzhniy.ru.

5-9. Siemens – Биоэнергетика.,

5-10. Сорго сахарное., www.agro-trend.ru

5-11. Маниока., www.panama.ru.

5-12. Эйхорния – плавающее водное растение., www.chekltd.ru…

5-13. Морская водоросль – Ламинария., www.vodorosli-online.ru.

5-14. Бурые морские водоросли., www.roskosmetika.ru

5-15. микроводорослей Dunaliella., www.pro-fermu.ru.

5-16. Микроводоросль хлорелла., www.articles.agronationale.ru.

5-17. Биомасса(энергия биомассы)., www.ecomuseum.kz.

5-18. Древесные отходы., www.woodtechnology.ru.

5-19. Производство топливной щепы в лесу с помощью лесного комбайна с харвестерной головкой., www.lesopromyshlennik.ru.

5-20. Харвестеры., www.transtrader.ru.

5-21. Харвестер Ponsse Ergoharvester.,www.forvarder.com.

5-22. Харвестер., www.srub-stroi.ru.

5-23. Валочная головка Харвестера., www.vneshles.narod.ru.

5-24. Харвестер Форвардер John Deere Timberjack., www.tech4stroy.ru.

5-25. Форфардеры (транспортер) www.transtrader.ru.

5-26. John Deere Forwarder1010E.,www.avtorinok.ru.

5-27. Форвардер. www.lesprominform.ru.

5-28. Упакованные стебли кукурузы. www. esco-ecosys.narod.ru. 5-29. Эвкалипт царственный, www.angel-moi.ucoz.ru.

5-30. Использование топлива из биомассы в развивающихся странах., www.pomreke.ru.

5-31. Источник: www.pomreke.ru.

5-32. Биотопливо как неисчерпаемый источник., www.zerno-ua. 5-33. Ятрофа ядовитая – Jatropha curcas L test.zerno-ua.com.

5-34. Микрокристаллическая клетчатка.,

www.AlternativEnergy.ru.

5-35. Плоды Ятрофы рассеченной– Jatropha multifeda.,

ru.wikipedia.org.

5-36. Плоды Ятрофы www.westafricanplants.s.

5-37. Плоды Ятрофы ядовитой (Jatropha Curcas). на разных стадиях зрелости. www.fao.org.

5-38. Биоэнергетика ^Биоэнергетика в России.,

www.AlternativEnergy.ru.

5-39. Производство биомассы для энергетических целей., www.science-award.siemens.

5-40. Утилизация сточных вод.

Глава 6. Твердое биотопливо

Древнейшее топливо, используемое человечеством. Для производства дров или биомассы выращивают энергетические леса, состоящие из быстрорастущих пород (тополь, эвкалипт и др.).

Прессованные изделия из древесных отходов (опилок, щепы, коры, тонкомерной и некондиционной древесины, порубочные остатки при лесозаготовках), соломы, отходов сельского хозяйства (лузги подсолнечника, ореховой скорлупы, навоза, куриного помета) и другой биомассы. Древесные топливные гранулы или пеллеты имеют форму цилиндрических или сферических гранул диаметром 8 – 23 мм и длиной 10–30 мм.

Рис. 6–1. Дрова, [6–1]

Рис. 6–2. Эвкалипт радужный., [6–2]

Рис. 6–3. Топливные брикеты…[6–3].

Брикеты и пеллеты выделяют больше тепла, чем опилки и щепа, увеличивая коэффициент полезного действия котельных, не требуют больших складских площадей и при хранении не самовоспламеняются. Но с другой стороны, автоматизировать процесс загрузки брикетов в топочное устройство довольно сложно. С этой точки зрения гораздо удобнее топливные гранулы – пеллеты.

Рис. 6–4 Пеллеты.,[6–4].

Это цилиндрические прессованные изделия из высушенной древесины. Сырьем для их изготовления могут быть опилки, стружка, щепа и другие отходы деревообработки. В состав пеллет также может входить торф и измельченная древесная кора. Пеллеты производятся без химических закрепителей под высоким давлением.

Теплотворная способность пеллет сравнима с углем и составляет 4,3 – 4,5 кВт / кг. При сжигании 1 тонны пеллет выделяется столько же энергии, сколько при сжигании 1,6 тонн древесины, 480 м³ газа, 500 литров дизельного топлива или 700 литров мазута.

Пеллеты намного экологичнее традиционного топлива: в 10 – 50 раз ниже эмиссия углекислого газа в воздушное пространство, в 15 – 20 раз меньше образование золы, чем при сжигании угля. Затраты энергии на производство древесных гранул составляют примерно 3 % от содержания энергии, что гораздо ниже затрат на получение природного газа или мазута.

Пеллеты используются для сжигания в домашних каминных печах и отопительных устройствах. Это печи с открытым пламенем, которые устанавливаются внутри помещения и отдают тепло за счет теплового излучения или вследствие конвекции. Именно этот тип теплового излучения считается наиболее комфортным для человека. Нагревательные устройства, работающие на пеллетах, регулируются в автоматическом режиме. Единственный недостаток этих отопительных систем в том, что необходимо периодически удалять золу. Зато её можно не выбрасывать и использовать в качестве удобрения.

Потребление пеллет как вида топлива растет быстрыми темпами. Котельные на биотопливе пользуются в Европе большой популярностью. В Германии в течение 2002 года было установлено более 5000 котлов, работающих на пеллетах. В Северной Рейн Вестфалии (Германия) до 2006 года правительство этой земли планировало заменить 500 тыс. устаревших котлов на биотопливые. Правительство спонсирует каждый установленный котел в размере 3 тыс. евро. Растет количество производителей автоматических котлов, работящих на паллетах. По прогнозам Института энергетики и охраны окружающей среды ФРГ, к 2007 году в Германии работало более 1 млн котлов и печей на пеллетах. Ежегодный расход пеллет составит 4 млн тонн.

В Швеции потребление пеллет ежегодно растет примерно на 30 %. Правительственной программой Швеции было увеличено потребление пеллет до 7 млн тонн в год к 2010 году.

Постепенный перевод котельных европейских стран на пеллеты ставит проблему гарантированной и бесперебойной поставки биотоплива. А это невозможно без импорта древесного сырья [6–5].

1.3. Энергоносители биологического происхождения (главным образом навоз и т. п.) брикетируются, сушатся и сжигаются в каминах жилых домов и топках тепловых электростанций, вырабатывая дешёвое электричество.

1.4. Отходы биологического происхождения – необработанные или с минимальной степенью подготовки к сжиганию: опилки, щепа, кора, лузга, шелуха, солома и т. д.

1.4.1. Древесная щепа – производится путем измельчения тонкомерной древесины или порубочных остатков при лесозаготовках непосредственно на лесосеке или отходов деревообработки на производстве при помощи мобильных рубительных машин или с помощью стационарных рубительных машин (шредеров). В Европе щепу в основном сжигают на крупных теплоэлектростанциях мощностью от одного до нескольких десятков мегаватт.

1.5. Топливный торф (фрезерный) – сжигается в отопительных печах, водогрейных котлах и тепловых электростанциях.

Рис. 6–5. Торфяные брикеты., [6–6].

Рис. 6–6. Брикет торфяной – таблетка., [6–7]

Торф – горючее полезное ископаемое растительного происхождения, предшественник генетического ряда углей. По определению торф является органической горной породой, содержащей не более 50 % золы, образовавшаяся в результате биохимического расклада болотных растений в условиях повышенной обводненности и дефицита кислорода.

Рис. 6–7. Российская линия брикетирования и гранулирования., [6–8]

Рис. 6–8. Оборудование для производства топливных брикетов, Уфа.,[6–9]

От ближайшей горной породы в ряде каустобиолитов – бурых углей по физическим свойствам он отличается повышенным содержанием влаги, рыхлой структурой, низкой плотностью, а химическим – наличием широкого класса органических водо-растворимых и легкогидролизуемых соединений, гуминовых кислот, сахаров, битумов, гемицеллюлоз и целлюлозы. С современных представлений физикохимической механики природных дисперсных систем торф представляет сложную многокомпонентную, многофазную, полидисперсную полуколлоидно-высокомолекулярную систему с признаками полиэлектролитов и микромозаичной гетерогенности. [6-10].

Ежегодный прирост запасов торфа в мире ок. 500 млн. тонн – это ресурс для производства 14.5 ЭДж электроэнергии в год.

Энергетические леса – выращивание быстрорастущих культур (эвкалипт, тополь, ива и другие); годовой урожай может составлять около 7 т/га. Крупнейшая в Европе электростанция, работающая на древесной биомассе (Зиммеринг, Австрия). Мощность электростанции 66 МВт. Электростанция ежегодно потребляет 190 тысяч тонн биомассы, собираемой в радиусе 100 км от станции. Выход электроэнергии с 1 га энергетического леса составит 21500 кВт. ч

Слоновья трава, Miscanthus giganteus

Рис. 6–9. Слоновья трава, [6-11].

Урожай биомассы до 60 т/га. Выход электроэнергии с 1 га мискантуса составит 180 тыс. кВт. ч. Если занять под мискантус 1 млн. га МЗР (мировые земельные ресурсы), потенциальный выход электроэнергии составит 180 млрд. кВт. ч.

6-1. Дрова, www.asi.org.ru.

6-2.Эвкалипт радужный., www.glamyrka.com.

6-3.Топливные брикеты., www.enik-pilomat.ucoz.net.

6-4. Пеллеты.

6-5. Будущее – за пеллетами., www.new-pellet.ru.

6-6. Торфяные брикеты., www.vladivostok.neobroker.ru.

6-7. Брикет торфяной – таблетка., www.vologodskaya.all.biz.

6-8. Российская линия брикетирования и гранулирования. www.promsnab.dn.ua.

6-9. Оборудование для производства топливных брикетов, Уфа., www.doskaurala.ru.

6-10. Рациональное использование торфа и сапропеля в России www. 2.gaz.kostroma.ru.

6-11. Слоновья трава, www.anticomprador.ru.

Глава 7. Жидкое биотопливо

Нефть – кровь современной экономики. Она – символ власти, богатства, войны, коррупции, политических интриг и экономических страхов. С каждым годом ее требуется все больше, а стоит она все дороже. [7–1]

Министерство энергетики США выяснило, что электромобили не станут популярными даже в 2040 году. [7–2]

Рис. 7–1. Электромобиль.[7–2].

Министерство энергетики США считает, что электромобили не будут пользоваться спросом даже в 2040 году.

Министерство энергетики США опубликовало ежегодный отчет (апрель 2013) о перспективах энергетических рынков Annual Energy Outlook (EIA). В документе, в частности, был поднят вопрос о типе автомобилей, который будет доминировать в будущем.[7–3].

По данным экспертов, в 2040 году 78 % автомобилей на дорогах США будут оснащены двигателями внутреннего сгорания (ДВС), работающими на горючем топливе естественного происхождения.

При этом 42 % всех автомобилей с ДВС будут оснащены системами «старт-стоп» и рекуперативными тормозами, которые позволяют сохранять полученную от замедления машины энергию.

Заряжаемые от электросети гибриды и «чистые» электромобили составят лишь по 1 % автопарка соответственно. Традиционные гибриды, которые пользуются и ДВС, и электромотором, составят около 5 % автомобилей на дорогах.

Вместе с тем средний расход топлива автомобилей в США должен составить в 2040 году 6,3 л на 100 км пути против нынешних 11 л.

Тем не менее, данный результат все же отстает от задачи, поставленной администрацией президента США Барака Обамы на 2025 год. По мнению главы государства, к этому сроку все новые автомобили на рынке США должны потреблять не более 4,3 л на 100 км пути.

По данным министерства энергетики, с учетом постоянного роста добычи нефти в 2040 году литр бензина будет стоить в США около $1,03. Такой же объем дизельного топлива будет стоить в 2040 году уже $1,3. Стоит отметить, что легковые автомобили с дизельными двигателями редко встречаются в США: по прогнозу EIA, их доля к 2040 году возрастет лишь до 4 % с нынешних 2 %.

Вместе с тем в министерстве предполагают, что количество автомобильных поездок к 2040 году увеличится на 30 %. [7–4].

Одними из важнейших направлений современной Биоэнергетики является:

1) промышленное разведение растений – продуцентов углеводородов,

2) биотехнологическая конверсия (получение этилового и других спиртов, органических кислот, растворителей из различных видов биомассы;

3) термохимическая конверсия (прямое сжигание, газификация, пиролиз, сжижение, фест-пиролиз, синтез) для получения жидкого топлива;

4) Химико-каталитическая конверсия биотоплив второго порядка: биоэтанола, растительных масел, целлюлозы в жидкие топлива третьего порядка: бензин и керосин и другие углеводороды алканового ряда с общей формулой CnH2n+2

Термин БИОУГЛЕВОДОРОДЫ объединяет органические соединения углеводородной структуры, либо продуцируемые непосредственно флорой, либо получаемые из органических веществ фотосин-тетического происхождения посредством термохимических процессов или биохимического или химического катализа.

В настоящее время в плане создания промышленных производств биоуглеводородов особый интерес представляют разнообразная макрофлор– и микроорганизмы: бактерии, водоросли, грибы.

Рис. 7–2. Карта-схема Крупнейших производителей биотоплива в мире. 2008 г. Россия на схеме не отмечена-она идет своим путем. [5].

На рис. 7–2 показаны химический (черный), б) биологический (зеленые), и в) тепловой (красный) пути производство биоуглеводородов, полученных из I), древесной биомассы и б) водорослей. Производство бензина или дизельного эквивалента зависит от технологии… Топливо для реактивных двигателей также может быть произведено.

Широкий простор перед исследователями и производителями открывает генная инженерия.

Рис. 7–3. Пути образования биоуглеводородного топлива.

Рис. 7–4. Объемная формула биоэтанола. [7–6].

Этанол – одноатомный спирт с формулой C₂H₅OH (С₂Н₆0), другой вариант:

СН₃-СН₂-0Н, второй представитель гомологического ряда одноатомных спиртов, при стандартных условиях летучая, горючая, бесцветная прозрачная жидкость. Молярная масса: 46,06844 г/моль… Плотность: 789,00 кг/м³ Температура кипения: 78,37 °C

Температура плавления: -114 °C

Давление насыщенного пара: 5,95 кПа

Этиловый спирт используется как топливо, в качестве растворителя, как наполнитель в спиртовых термометрах и как дезинфицирующее средство (или как компонент его).

Биоэтанол получается при переработке углеводов растительного сырья. Этанол можно производить в больших количествах из целлюлозы. 80 % этанола имеет топливное применение, 12 %– техническое и 8 % – пищевое.

Рис. 7–5. Производство биоэтанола в мире, млрд. л. [7–7].

Рис. 7–6. Прогноз мирового потребления биоэтанола, млн. литров [7–8].

В 2009 году мировое производство составило 59.3 млн. т (рост на 10 % по сравнению с 2008 г., на 400 % по сравнению с 2000 г.). В 2009 г. ведущие места по производству этанола заняли США (31.2 млн. т -54 %), Бразилия (19.4 млн. т – 34 %) и ЕС-2.9 млн. т (5 % мирового производства).

19 декабря 2007 года президент США подписал закон о Энергетической независимости и безопасности (EISA of 2007). EISA от 2007 предусматривает производство 132.5 млн. тонн этанола в год к 2022 году. При этом 73 млн. куб. м или 60 млн. т этанола будет производиться из целлюлозы – не пищевого сырья.

Топливные смеси этанола Е5, Е7, Е10 – смеси с низким содержанием этанола (5, 7 и 10 весовых процентов, соответственно), наиболее распространённые на рынке.

Рис. 7–7. План типичного американского завода биоэтанола. [7–9].

Топливный баланс этанола равен 1.24. То есть из этанола, произведённого из кукурузы, можно получить на 24 % энергии больше, чем было затрачено при производстве этанола.

Топливный баланс бензина хуже, чем у этанола. Для производства бензина требуется большое количество энергии: для разведки нефти, её добычи, транспортировки (нужно строить танкеры и трубопроводы), переработки, доставки бензина и т. д.

Рис. 7–8. Схема производство этанола из пшеничной муки.[7-10].

Рис. 7–9. Завод по производству этанола в Зап. Бёрлингтоне, шт. Айова, США. [7-11] / Рис. 7-10. Заправочная станция в Бразилии, продающаяэтанол. [7-11].

Топливный баланс этанола, производимого из целлюлозы может достигать 2. Это открывает широкие возможности для России.

Рис. 7-11. Citroen выпускает первый автомобиль на биотопливе [7-56].

Рис. 7-12. GM создал Hummer H3 на биотопливе [7-57]

Рис. 7-13. Внедорожники Hummer будут работать на биотопливе [7-58].

Крупнейшие автопроизводители США Форд и Дженерал Моторс уже создали модели автомобилей, работающих на этаноле. Остается только сделать альтернативное топливо более дешевым и доступным. Автомобиль был припаркован у здания Конгресса США в то самое время, когда там обсуждались проблемы развития производства топлива из биомассы в мае этого года. [7-62].

Рис. 7-14. Елизавета II за «зелёных»: королевский Bentley переводится на биотопливо [7-59].

США в августе 2005 года приняли «Энергетический Билль» (Energy Policy Act of 2005), и «Стандарт возобновляемых видов топлив» (Renewable Fuels Standard). Они предусматривают к 2012 году ежегодное производство 30 миллиардов литров этанола из зерновых и 3,8 миллиард литров из целлюлозы (стебли кукурузы, рисовая солома, отходы лесной промышленности и т. д.).[7-12].

Многочисленные виды сырья для производства этанола можно разделить на три типа: а) сахар, получаемый из сахарного тростника, сахарной свеклы или фруктов, который может быть непосредственно преобразован в этанол; б) крахмалы из зерновых культур и корнеплодов, которые должны быть подвержены гидролизу в присутствии ферментов для получения ферментируемого сахара; в) целлюлоза из древесины, сельскохозяйственных отходов и т. д., которая должна быть превращена в сахариды с использованием либо кислот, либо ферментативного гидролиза. [13].

Рис. 7-15. Отходы переработки сахарного тростника (багасса) [7-13].

В настоящее время большая часть биоэтанола производится из кукурузы(США) и сахарного тростника (Бразилия). Сырьём для производства биоэтанола также могут быть различные с/х культуры с большим содержанием крахмала или сахара: маниок, картофель, сахарная свекла, батат, сорго, ячмень и т. д.

Большим потенциалом обладает маниок. Маниоку в больших количествах производят Китай, Нигерия, Таиланд. Себестоимость производства биоэтанола из маниоки в Таиланде – около $35 за баррель нефтяного эквивалента.(22 цента/ литр).

Лучшим климатом для производства сахарного тростника обладает Перу, страны Карибского бассейна. В больших количествах сахарный тростник могут также производить Индонезия и некоторые африканские страны, например, Мозамбик.

Крупнейшие производители биоэтанола в США компании Archer Daniels Midland и Cargill.

Этанол можно производить в больших количествах из целлюлозы. Сырьём могут быть различные отходы сельского и лесного хозяйства: пшеничная солома, рисовая солома, багасса сахарного тростника, древесные опилки и т. д.

Известный с давних времён способ получения этанола – спиртовое брожение органических продуктов, содержащих углеводы (виноград, плоды и т. п.) под действиемферментов дрожжей и бактерий

Аналогично выглядит переработка крахмала, картофеля, риса, кукурузы, и проч. Реакция эта довольно сложна, её схему можно выразить уравнением:

C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂

В результате брожения получается раствор, содержащий не более 15 % этанола, так как в более концентрированных растворах дрожжи обычно гибнут. Полученный таким образом этанол нуждается в очистке и концентрировании, обычно путем дистилляции.

Современная промышленная технология получения спирта этилового из пищевого сырья включает следующие стадии:

• подготовка и измельчение крахмалистого сырья – зерна (прежде всего – ржи, пшеници. Картофеля и др.);

• ферментация. На подавляющем большинстве спиртовых производств мира ферментативное расщепление крахмала до спирта при помощи дрожжей оставлено.

Для этих целей применяются рекомбинантные препараты альфа-амилазы, полученные биоинженерным путем – глюкамилаза, амило-субтилин.

• брагоректификация. Осуществляется на разгонных колоннах.

Отходами бродильного производства являются барда и сивушные масла.

Барда используется для производства кормов.

В промышленных масштабах этиловый спирт получают из сырья, содержащего целлюлозу(древесина, солома), которую предварительно гидролизуют. Образовавшуюся при этом смесь пентоз и гексоз подвергают спиртовому брожению.

В странах Западной Европы и Америки эта технология не получила распространение. В СССР она широко использовалась для производства кормовых гидролизных дрожжей и гидролизного этанола.