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

Биодизель, как показали опыты, при попадании в воду не причиняет вреда растениям и животным. Кроме того, он подвергается практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99 % биодизеля, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озёр.

Сокращение выбросов CO₂. При сгорании биодизеля выделяется ровно такое же количество углекислого газа, которое было потреблено из атмосферы растением, являющимся исходным сырьём для производства масла, за весь период его жизни. Биодизель в сравнении с обычным дизельным топливом почти не содержит серы. Это хорошо с точки зрения экологии.

Высокая температура воспламенения. Точка воспламенения для биодизеля превышает 100 °C, что позволяет назвать биотопливо относительно безопасным веществом.

Под производство сырья для биодизеля отчуждаются большие земельные площади, на которых нередко используют повышенные дозы средств защиты растений. Это приводит к биодеградации грунтов и снижению качества почв.

С другой стороны, жмых, получаемый в процессе производства растительного масла, используется в качестве корма для скота, что позволяет более полно утилизировать биомассу растения.

Производство биодизеля позволяет ввести в оборот не используемые с/х земли, создать новые рабочие места в сельском хозяйстве, машиностроении, строительстве и т. д. Например, в России с 1995 г. по 2005 г. посевные площади сократились на 25,06 млн. гектаров. США на свободных землях ежегодно могут выращивать 1,3 млрд. тонн биомассы.

При производстве биодизеля в результате реакции этерификации получается смесь, которой дают отстояться. Легкие верхние фракции продукта и являются рапсовым метилэфиром, или биодизельным топливом. Нижние фракции являются так называемой глицериновой фазой, которую часто неправильно называют глицерином. На самом деле до чистого глицерина её ещё нужно «довести», без чего её хранение и утилизация представляют серьёзную проблему из-за повышенной щелочности и содержания метанола. Те же проблемы возникают при использовании для этерификации этанола. Впрочем, биодизель на этаноле производить менее выгодно из-за большей плотности.

Достоинства.

Хорошие смазочные характеристики. Минеральное дизтопливо при устранении из него сернистых соединений теряет свои смазочные способности. Биодизель, несмотря на значительно меньшее содержание серы, характеризуется хорошими смазочными свойствами, что продлевает срок жизни двигателя. Это вызвано его химическим составом и содержанием в нём кислорода. Например, грузовик из Германии попал в Книгу рекордов Гиннеса, проехав более 1,25 миллиона километров на биодизельном топливе со своим оригинальным двигателем.

Более высокое Цетановое число.

Для минерального дизтоплива 42–45,

Для биодизеля (метиловый эфир) не менее 51.

Увеличение срока службы двигателя. При работе двигателя на биодизеле одновременно производится смазка его подвижных частей, в результате которой, как показывают испытания, достигается увеличение срока службы самого двигателя и топливного насоса в среднем на 60 %. Важно отметить, что нет необходимости модернизировать двигатель.

Высокая температура воспламенения. Точка воспламенения для биодизеля превышает 150 °C, что делает биогорючее сравнительно безопасным веществом.

Побочный продукт производства – глицерин, имеющий широкое применение в промышленности. Очищенный глицерин используют для производства технических моющих средств (например, мыла). После глубокой очистки получают фармакологический глицерин, тонна которого на рынке стоит порядка 1 тыс. евро. При добавлении фосфорной кислоты к глицерину можно получить фосфорные удобрения.

Недостатки.

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)

Действующие биодизельные программы

В разных странах действуют различные стандарты применения биодизеля:

Таблица. 7-5

Действующие различные стандарты применения биодизеля

Ультразвуковая обработка увеличивает скорость и выход химической реакции при переэтерификации растительных масел и животных жиров в биодизель. Это позволяет изменить режим работы производственной установки с порционного на поточный, а также снизить капиталовложения и эксплуатационные затраты.

Биодизель обычно производится в периодическом реакторе с использованием тепловой и механической энергии для перемешивания. Перемешивание с применением действия ультразвуковой кавитации является одним из альтернативных методов перемешивания, позволяющим достичь лучших результатов при промышленной обработке. Ультразвуковая кавитация обеспечивает необходимую энергию активации веществ для промышленного процесса переэтерификации.

Ультрозвуковая обработка включает следующие этапы:

1. Растительное масло или животный жир перемешивается с метиловым (для метилового эфира) или этиловым спиртом (для этилового эфира) и гидроксидом или метилатом натрия или калия.

2. Данная смесь подогревается, например, до температуры от 45 до 65 °C.

3. Подогретая смесь подвергается ультразвуковой обработке в потоковом режиме.

4. Полученное биодизельное топливо отделяется от глицерина.

5. Преобразованное биодизельное топливо промывается водой.

Чаще всего, ультразвуковая обработка производится при повышенном давлении (от 1 до 3 бар, давление по манометру). При использовании ультразвуковых процессоров мощностью до 16 кВт отсутствуют любые ограничения по масштабу производства или обрабатывающей способности.

Сегодня биодизельное топливо в основном производится в периодических реакторах (порционный режим). Применение ультразвука позволяет осуществлять обработку в потоковом режиме. Ультразвуковая обработка позволяет достичь выхода биодизельного топлива свыше 99 %. Применение ультразвука уменьшает время обработки с 1–4 часов (в порционном режиме) до менее 30 сек. Еще более важно, что ультразвуковая обработка уменьшает время разделения биодизеля и глицерина с 5-10 часов до менее чем 60 минут. Ультразвуковая обработка также помогает уменьшить количество катализатора до 50 % за счет увеличения химической активности веществ посредством кавитации (см. также ультразвуковая химия). При ультразвуковой обработке количество используемого спирта также сокращается. Еще одним преимуществом данного метода является повышение уровня чистоты получаемого глицерина.

Ультразвуковая обработка является эффективным средством увеличения скорости реакции в промышленном производстве. Стоимость ультразвуковой обработки в основном составляет объем затрат на приобретение ультразвуковых приборов, энергию и энергоносители, поставляемые централизованными сетями и техническое обслуживание. Непревзойденная энергоэффективность (таблица справа) ультразвуковых приборов Hielscher позволяет снизить затраты и тем самым сделать данный процесс еще более экологичным.

Альтернатива нефтяным моторным топливам есть: ученые разработали методы получения высококачественного моторного топлива из природного газа, угля и другого ненефтяного сырья.[41].

(По своему химическому составу нефть – смесь углеводородов (алканов и циклоалканов). Кроме того, она содержит метан и некоторые сернистые и азотистые примеси. Бензин – легкокипящая фракция нефти, содержащая короткоцепочечные углеводороды с 5–9 атомами. Это основной вид моторного топлива для легковых автомобилей и небольших самолетов. Керосины более вязкие и тяжелые, чем бензин: они состоят из углеводородов с 10–16 атомами углерода.

Керосин стал основным видом топлива для реактивных самолетов и ракетных двигателей.

Газойль – более тяжелая фракция, чем керосин. Дизельное топливо для двигателей, установленных на тепловозах, грузовиках, тракторах, содержит смесь фракций керосина и газойля. Вещества, по химическому составу похожие на бензин, керосин или дизельное топливо, вполне можно получить из углеродного сырья ненефтяного происхождения. Химики решили эту задачу еще в 1926 году, когда немецкие ученые Ф. Фишер и Г. Тропш открыли реакцию восстановления монооксида углерода (СО) при атмосферном давлении. В присутствии катализаторов можно синтезировать в зависимости от соотношения водорода и монооксида углерода в газовой смеси жидкие и даже твердые углеводороды, по химическому составу близкие к продуктам фракционирования нефти.

Смесь монооксида углерода и водорода, получившую название "синтез-газ", довольно легко получить из природного сырья: пропусканием водяного пара над углем (газификация угля) или конверсией природного газа (состоящего в основном из метана) водяным паром в присутствии металлических катализаторов. Синтез-газ образуется не только из угля и метана. Очень перспективны биотехнологические методы: термохимическая или ферментативная переработка отходов растительного сырья (биомассы) и конверсия газа, полученного путем разложения органических отходов, так называемого биогаза.

Керосин (англ. kerosene от греч. κηρός – воск) – смеси углеводородов (от Cl₂ до Cl₅), выкипающие в интервале температур 150–250 °C, прозрачная, слегка маслянистая на ощупь, горючая жидкость, получаемая путём прямой перегонки или ректификациинефти.

Плотность 0,78—0,85 г/см³ (при 20 °C), вязкость 1,2–4,5 мм²/с (при 20 °C), температура вспышки 28–72 °C, теплота сгорания ок. 43 МДж/кг.

В зависимости от химического состава и способа переработки нефти, из которой получен керосин, в его состав входят:

• предельные алифатические углеводороды – 20–60 %

• нафтеновые углеводороды 20–50 %

• бициклические ароматические 5—25 %

• непредельные углеводороды – до 2 %

• примеси сернистых, азотистых или кислородных соединений.

Получение.

Получается путём перегонки или ректификациинефти, а также вторичной переработкой нефти. При необходимости подвергается гидроочистке.

Применение.

Керосин применяют как реактивное топливо, горючий компонент жидкого ракетного топлива, горючее при обжиге стеклянных и фарфоровых изделий, для бытовых нагревательных и осветительных приборов, в аппаратах для резки металлов, как растворитель(например для нанесения пестицидов), сырьё для нефтеперерабатывающей промышленности. Керосин может использоваться как заменитель зимнего и арктического дизтоплива для дизельных двигателей, однако необходимо добавить противоизносные и цетаноповышающие присадки; цетановое число керосина около 40, ГОСТ требует не менее 45. Для многотопливных двигателей (на основе дизеля) возможно применение чистого керосина и даже бензина АИ-80. Допускается добавление до 20 % керосина в летнее дизельное топливо для снижения температуры застывания, при этом не ухудшаются эксплуатационные характеристики.

Авиационный керосин, или авиакеросин, служит в турбовинтовых и турбореактивных двигателях летательных аппаратов не только топливом, но также хладагентом и применяется для смазывания деталей топливных систем. Поэтому он должен обладать хорошими противоизносными (характеризуют уменьшение изнашивания трущихся поверхностей в присутствии топлива) и низкотемпературными свойствами, высокой термоокислительной стабильностью и большой удельной теплотой сгорания.

Керосин применяется в ракетной технике в качестве углеводородного горючего и одновременно рабочего тела гидромашин. Использование керосина в ракетных двигателях было предложено Циолковским в 1914 году. В паре с жидким кислородом используется на нижних ступенях многих РН: отечественных – «Союз», «Молния», «Зенит», «Энергия»; американских – серий «Дельта» и «Атлас». Для повышения плотности, и, тем самым, эффективности ракетной системы, топливо часто переохлаждают. В СССР в ряде случаев использовался синтетический заменитель керосина, синтин, позволявший поднять эффективность работы двигателя, разработанного под керосин, без существенных изменений в конструкции. В перспективе предполагается замена керосина на более эффективные углеводородные горючие – метан, этан, пропан и т. п.

Технический керосин.

Технический керосин используют как сырьё для пиролитического получения этилена, пропилена и ароматических углеводородов, в качестве топлива в основном при обжиге стеклянных и фарфоровых изделий, как растворитель при промывке механизмов и деталей. Деароматизированный путём глубокого гидрирования керосин (содержит не более 7 % ароматических углеводородов) – растворитель в производстве ПВХ полимеризацией в растворе.

Бензин – горючая смесь лёгких углеводородов с температурой кипения от 30 до 200 °C. Плотность около 0,75 г/см³. Теплотворная способность примерно 10500 ккал/кг (46 МДж/кг, 34,5 МДж/литр). Температура замерзания ниже -60 °C.

Получение.

Бензин получают путем разгонки и отбора фракций нефти, выкипающих в определенных температурных пределах; до 100 °C – бензин I сорта, до 110 °C – бензин специальный, до 130 °C – бензин II сорта, до 265 °C – керосин («метеор»), до 270 °C – керосин обыкновенный, примерно до 300 °C – производится отбор масляных фракций. Остаток считается мазутом.

Biojet – топливо, получаемое из биомассы и используются вместо или в смеси с керосином для реактивных двигателей самолетов.[7-46].

В отличие от наземного транспорта и энергетики, высокоскоростная авиация не имеет реальных альтернатив для получения жидкого топлива из нефти в обозримом будущем. Это означает, что отрасль остро уязвима к усилению конкурентной борьбы за поставки нефти и волатильности цен на нефть. Соответственно, гражданские и военные покупатели авиационного топлива находятся под усиливающимся давлением включения в авиацию биотоплива в их топливные смеси… Разработка жизнеспособной цепочки поставок biojet будет способствовать интегрированию биотоплива в авиации и диверсификации поставок топлива из непродовольственных культур.

Международное энергетическое агентство (МЭА) прогнозирует, что эра дешевой нефти закончилась.

Недавний рост цен на нефть сделали топливо для реактивных двигателей очень дорогим для некоторых авиакомпаний.

Хотя вклад гражданской авиации составляет только 2 % выбросов парниковых газов, эта отрасли стремится к 2020 г. снизить эмиссию углерода и к 2050 г. сократить ее до 50 %.

И биотопливо является ключевым компонентом этой стратегии.

Многие эксперты утверждают, что массовое использование авиационного биотоплива начнется не ранее 2020 г. и это составит не более 15 % рынка.

Какова потенциальная возможность рынка?

Авиация потребляет 12 % топлива, потребляемого всей мировой транспортной отраслью, что эквивалентно, примерно, от 194 до 270 млн. т керосина авиационного топлива в год..

Аналитики проекта полагают, что авиационное биотопливо заменит примерно 1 % от «классического» керосина к 2015 году, 25 % к 2025 году, и 30 % к 2030 году.

НАСА рассчитывает на 50 % снизить объем потребления авиатоплива в рамках программы "авиации нового поколения". В 2008 году крупные коммерческие перевозчики в США потратили 75.5 млн. т авиатоплива, Минобороны – еще 4,6 миллиарда галлонов (174,4 млн. т). При средней цене примерно в 66 центов за литр это обошлось более чем в 70 миллиардов долларов. Сегодня ежегодные выбросы самолетов в США составляют более 250 млн. тонн CO₂-эквивалента.

Кроме того, 40 из 50 крупнейших аэропортов США не соответствуют требованиям Агентства по защите окружающей среды (EPA) к качеству воздуха.

Нидерландский авиаперевозчик KLM для заправки воздушных судов будет использовать новое топливо, изготовленное на основе растительного масла. Предполагается, что топливо на 50 % будет состоять из обычного керосина, а еще на 50 % – из масла. Им будут заправлять самолеты, выполняющие полеты из Парижа в Амстердам и обратно…

ВВС США провели испытания истребителя Lockheed Martin F-22 Raptor, в баки которого было добавлено биотопливо. В ходе испытаний самолет сумел преодолеть звуковой барьер, достигнув скорости в 1,5 числа Маха (1,7 тысячи километров в час. По данным ВВС США, испытания прошли полностью успешно. Программа испытаний F-22 на биотопливе включает в себя серию запуска двигателей в полете, управляемость, а также поведение самолета на разных режимах, высотах и скоростях полета. Максимальная высота полета самолета в ходе испытаний составила 12,1 тысячи метров. Во время испытания также была подтверждена возможность F-22 совершать полеты на крейсерской сверхзвуковой скорости, при которой не используется форсажная камера. В баки F-22 заливают топливную смесь из биотоплива, произведенного из рыжика, и обычного JP-8. В настоящее время ВВС США реализуют программу, направленную на сокращение потребления обычного топлива в два раза. В рамках программы все самолеты на вооружении ВВС США должны получить сертификаты на использование биотоплива к 2012 году. Испытательные полеты на биотопливной смеси выполняют и некоторые другие самолеты ВВС США. Так, испытания уже прошли штурмовик A-10 Thunderbolt II, F/A-18 Super Hornet, MH-60S Seahawk и C-17 Globemaster III. Военные рассматривают несколько вариантов создания биотоплива: из рыжика, угля и животного жира. В настоящее время испытатели склоняются к биотопливу из рыжика, поскольку это растение неприхотливо, а для его выращивания не требуются значительные финансовые вложения. Кроме того, при производстве топлива из рыжика, растительные отходы, в которых содержатся протеин и полиненасыщенные жирные кислоты Омега-3, можно использовать в качестве пищевой добавки для скота. Применение этих отходов уже одобрило министерство сельского хозяйства США.[47].

В последнее время ведущие авиастроительные компании, а также крупнейшие перевозчики стали уделять вопросам использования биотоплива на регулярных рейсах гораздо больше внимания. Летом 2011 г. был выполнен первый трансатлантический перелет на грузовом авиалайнере Boeing 747-8F, все двигатели которого работали на биокеросине. Новый самолет американского авиастроительного концерна прибыл на проходящий в Ле-Бурже Международный аэрокосмический салон, одной из основных тем которого как раз и стало использование альтернативных видов топлива. Интерес к данной теме возникает неспроста. Авиационная отрасль уже давно стремится стать более экологичной, однако технологии, связанные с использованием традиционных видов топлива, уже практически исчерпали свой потенциал. Поэтому конструкторы и авиакомпании постоянно ищут новые пути, направленные на снижение вредных выбросов в атмосферу при эксплуатации коммерческих авиалайнеров. Был открыт еще один путь для использования биотоплива в коммерческой авиации. В частности, американский комитет по стандартизации ASTM Intemational выдал официальное одобрение на коммерческое использование реактивного топлива, изготавливаемого на основе растительных масел и животных жиров. 1 июля 2011 г. ASTM внесла поправки в стандарт D7566, что формально дает возможность авиакомпаниям использовать для выполнения коммерческих рейсов гидрированное возобновляемое авиационное топливо (HRJ), которое на 50 % состоит из биологического топлива. Биодобавки для этого вида топлива могут изготавливаться из морских водорослей или из рыжиков и ятрофы. Кроме того, разрешается изготовление биологических добавок из масел животного происхождения.[7-44]. Предыдущая редакция стандарта D7566 разрешала коммерческое использование топлива, изготавливаемого из угля, природного газа или биомассы посредством процесса Фишера-Тропша. В Федеральном управлении гражданской авиации США (FAA) отмечают, что топливо HRJ по своим характеристикам ничем не отличается от традиционного авиационного керосина и подходит для повседневного использования. Первый трансатлантический перелет лайнера Boeing 747-8F был выполнен на топливе, которое на 15 % состояло из биодобавок, произведенных из рыжика. Эти растения могут выращиваться на пшеничных полях в тот период, когда они остаются пустыми. Благодаря этому удается избежать роста цен на продовольствие, несмотря на использование сельскохозяйственных полей. Кроме того отсутствует необходимость подготовки дополнительных полей, например, как в случае с культивированием пальмового масла в Юго-Восточной Азии, когда приходилось производить вырубку леса под новые поля. Еще до момента официального внесения поправок в стандарт D7566 крупнейшие авиакомпании стали выполнять регулярные рейсы с использованием биотоплива. Так, авиакомпания KLM 29 июня 2011 г. выполнила первый рейс по маршруту Амстердам – Париж на самолете Boeing 737800, двигатели которого работали на топливе, на 50 % состоящем из обычного керосина и на 50 % из биотоплива, изготовленного из отработанного кулинарного масла. Руководство авиакомпании отмечает, что KLM открыта для использования биотоплива, производимого и из других альтернативных источников. В будущем голландский перевозчик рассчитывает полностью заменить биотопливом традиционный для авиаперевозок керосин. Начиная с сентября 2011 года KLM начала выполнять регулярные рейсы из Амстердама в Париж и обратно с использованием биотоплива. Было выполнено более 200 таких перелетов между этими городами на самолетах Boeing 737–800.

Первый демонстрационный полет на биотопливе KLM выполнила еще в ноябре 2009 г. на лайнере Boeing 747–400. Тогда в качестве биологических добавок использовалось топливо из рыжиков.

По словам руководства KLM, сырье для биотоплива может быть любым, лишь бы оно отвечало основным предъявляемым критериям – существенное сокращение выбросов углекислого газа в атмосферу и минимальное воздействие на биосферу и продовольственные запасы. Немецкая авиакомпания Lufthansa пошла еще дальше, запустив шестимесячную программу регулярных рейсов по маршруту Франкфурт-на-Майне – Гамбург на самолете Airbus A321 с регистрационным номером D-AIDG, оснащенный двумя двигателями International Aero Engines V2500. Правый двигатель авиалайнера работал на топливной смеси, состоящей из керосина и биотоплива в пропорции 50/50, тогда как левый двигатель работал на традиционном керосине. Биотопливо для Lufthansa изготавливается финской компанией Neste Oil из ятрофы, рыжиков и масел животного происхождения. По информации немецкого перевозчика, в настоящее время производство биотоплива обходится в два раза дороже, чем производство обычного керосина, но использование альтернативных видов горючего – жизненная необходимость для авиации, поскольку со временем стоимость керосина, изготавливаемого из нефтепродуктов будет увеличиваться, тогда как биотопливо будет дешеветь. Основное преимущество биотоплива заключается в том, что по своим характеристикам и свойствам оно практически не отличается от обычного керосина, в результате его можно использоваться без внесения конструктивных изменений в самолеты и двигатели. По оценкам авиакомпании Lufthansa, стоимость программы испытаний составила примерно €6,6 млн, из которых €2,5 млн было оплачено Министерством экономики Германии в рамках программы FAIR, целью которой являлось исследование возможности использования биотоплива и сжиженного природного газа в авиации. Финская авиакомпания Finnair 20 июля 2011 г. выполнила свой первый полет на биотопливе по маршруту Амстердам – Хельсинки на самолете Airbus A319. Биотопливо из отработанного кулинарного масла также, как и для авиакомпании KLM, было изготовлено консорциумом SkyNRG. Мексиканская авиакомпания Interjet выполнила первый коммерческий перелет с использованием биотоплива по маршруту Мехико – Тукстла Гутиеррез на самолете Airbus A319. В качестве топлива для авиалайнера использовалась смесь, на 27 % состоящая из биокеросина на основе ятрофы и на 73 % из традиционного керосина. В общей сложности за время перелета "туда и обратно" было израсходовано 12716 литров биотоплива. Растения рода "ятрофа", которое используется для изготовления топлива для авиакомпании Interjet, выращивается непосредственно в Мексике. Собранный урожай отправляется на завод американской компании Honeywell, где на основе ятрофы производится готовый биокеросин. В ближайшее время Interjet планирует выполнить множество рейсов на биотопливе, однако запасы доступного горючего ограничены.

Мексика в будущем видит себя лидирующим поставщиком биотоплива на мировой рынок, в стране есть все необходимые условия для его промышленного производства. К 2020 г. эта латиноамериканская страна планирует производить до 700 млн литров биотоплива ежегодно, что будет соответствовать примерно 15 % внутреннего спроса на этот вид горючего. Американская биоэнергетическая фирма Solena ежедневно будет поставлять авиакомпаниям до 132 т биотоплива, которое будет изготавливаться из городских и сельскохозяйственных отходов. Все полученное топливо будет разделено между 10 перевозчиками в пропорциях, соответствующих размерам самих авиакомпаний. Полученное биотопливо будет смешиваться с авиационным керосином в пропорции 50/50, а готовая смесь будет заправляться в самолеты. В будущем планируется подписание отдельных контрактов на поставку биотоплива между указанными авиакомпаниями и фирмой Solena. В это время компания Airbus объединила свои усилия с Комиссией Евросоюза, рядом европейских перевозчиков и производителями биотоплива, чтобы разработать план действий, направленный на ежегодное производство до 2 млн тонн биотоплива для нужд авиационной отрасли к 2020 г. В рамках проекта, получившего название Bioefuel Flightpath, планируется создание первого европейского предприятия промышленного масштаба, которое займется производством биотоплива для авиационной отрасли. Авиастроительные компании Boeing и Embraer договорились о совместном финансировании исследований, целью которых является изучение возможности использования в авиации биотоплива, изготавливаемого из сахарного тростника. Дополнительные инвестиции в этот проект согласился направить банк IDB. Независимым консультантом будет выступать Всемирный фонд дикой природы. Такое повышенное внимание к альтернативным видам топлива в последнее время говорит об их востребованности авиационной отраслью.[7-60].