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

Авиакомпания TAM совместно с Airbus провели первый тестовый полет на биотопливе, полученном из ятрофы.

Вылетев из международного аэропорта Galeao Antonio Carlos Jobim (Рио-де-Жанейро), А320 совершил 45-минутный полет, вернувшись в аэропорт отправления. "Airbus и TAM сделали важный шаг на пути к получению биотоплива, которое бы являлось одновременно конкурентоспособным и возобновляемым. Этот полет свидетельствовал о готовности авиационной отрасли сохранить нейтральный прирост объема вредных выбросов с 2020 года, а также сократить выбросы CO₂ на 50 % к 2050 году.

Исследования показывают, что использование в авиации биокеросина, полученного из ятрофы, вместо традиционного керосина позволит уменьшить "углеродный след" почти на 80. Тестовый полет был одобрен Европейским агентством по авиационной безопасности в Европе (EASA), а также авиационными властями Бразилии (ANAC). В рамках стратегии по защите окружающей среды Airbus разработал уникальную программу, направленную на изучение и использование альтернативных видов топлива в авиации. В феврале 2008 г. лайнер A380 совершил первый в истории гражданской авиации полет, используя в качестве топлива GTL (синтетическое топливо на основе природного газа). В октябре 2009 г. Airbus совместно с авиакомпанией Qatar Airway организовали первый коммерческий рейс, в рамках которого самолет использовал в качестве топлива смесь авиационного керосина и GTL в пропорции 50:50, сообщает пресс-служба Airbus.

Ятрофа является самым эффективным источником биотоплива[7-48].

Название происходит от др. – греч. iatros – врач и trophe питание.

Естественным ареалом ятрофы является Центральная Америка, но сегодня произрастает во многих тропических и субтропических районах, в том числе в Индии, Африке и в Северной Америке. Из Карибского бассейна ятрофа распространилась в качестве ценного растения для живых изгородей в Африке и Азии португальскими торговцами.

Ятрофа (лат. Jatropha) – род семейства Молочайные. Состоит примерно из 150–175 видов суккулентов, кустарников и деревьев.[7-49].

Как и многие другие представители молочайных, ятрофа содержит соединения, которые являются весьма токсичными.

Ятрофа устойчива к засухе и вредителям, при этом её семена содержат до 40 % масла. Переработанное масло семян ятрофы может использоваться в качестве топлива в обычных дизельных двигателях, в то время как остатки могут быть обработаны в биомассу. Растение стало широко известным после того, как Голдман Сакс указал на ятрофу, как на один из лучших кандидатов для будущего производства биодизеля. Многие страны, в том числе Индия и Китай, начали широкомасштабные посадки ятрофы (900 000 гектаров на 2008 год с планами посадки на 12,8 миллиона гектаров на 2015 год). Однако, некоторые современные исследования показывают, что ятрофа не оправдывает ожиданий как источник энергии.[7-49].

Ятрофа является главным кандидатом для крупномасштабного производства биодизельного топлива.

С одного гектара ятрофы возможно вырабатывать 15 тонн биодизеля ежегодно. Бесполезный сорняк в качестве альтернативного источника энергии способен превзойти даже кукурузу.

Ятрофу можно выращивать в условиях, непригодных для сельскохозяйственных культур. Это значит, что обеспечение продовольствием развивающихся стран от этого абсолютно не пострадает.

Ятрофа – растение, естественным ареалом которого является Центральная Америка, но в настоящее время ее выращивают также в Индии, Африке и других районах

Плоды ятрофы непригодны в качестве пищи для людей и животных, но масло, которое в них содержится, является превосходным источником биотоплива.

Ятрофа действительно является достаточно неприхотливым растением.

Но, чтобы использовать ее плоды для производства биотоплива, требуются большое количество воды, удобрений и должная степень ухода при выращивании, что снижает экологическую выгоду… Но последняя требует значительно меньше воды по сравнению с сахарным тростником или кукурузой.

Планы и реальность.

Компании проявляют большой интерес к возможности смешивания биотоплива, произведенного из плодов ятрофы, с бензиновым и дизельным. Таким образом, существенно сокращается негативное воздействие на окружающую среду при их использовании. Международные авиалинии уже провели успешные испытания, в которых топливо для реактивных двигателей на 50 процентов был заменено биотопливом из ятрофы.

Также в африканских районах, где нет электричества, благодаря ятрофе может стать возможной локализованная добыча нефти с последующим запуском местных небольших электростанций. Другие эксперименты ведутся в Бразилии, Китае, Индии, Малайзии и на Филиппинах. В результате биотопливо может стать настолько же доступным и привычным для автомобилистов, как и солярка или высокооктановый бензин.

Кроме этого, несколько лет назад компания из города Ставангер (этот город считается нефтяной столицей Норвегии) получила право на культивирование ятрофы в Гане на участке земли площадью почти в два раза больше Люксембурга. Планируется, что она будет производить 20 000 баррелей нефти в день и, в конечном счете, станет вторым по величине производителем нефти в Норвегии (первое место занимает компания Statoil).[7-50].

Менеджмент инвестиционного банка Gö1dman Sachs считает, что ятрофа является главным кандидатом для крупномасштабного производства биодизельного топлива.

Ятрофа – Jatrofa curcas – засухоустойчивый кустарник, семена содержат до 40 % масла, потенциал разведения – огромные пространства полузасушливых земель в Индии, Китае, Австралии, Африке (от Марокко до ЮАР).

Камелина – (рыжик, рыжей) масличная однолетняя трава Camelina sativa, может расти в засушливых местах, предгорьях, нижнегорный пояс.[7-51]. Выход масла с 1 га 490 кг (583 л).

Рис. 7-27. Растение Камелина [7-52]

Если занять под камелину 1 млн. га неудобий из МЗР – потенциальный выход биодизеля составит 0,5 млн. т.

Рыжик (лат. Camelina) – род травянистых растений семейства Капустные (Brassicaceae). Рыжики – однолетние травы, покрытые сидячими, сердцевидными листьями.

Цветки бледно– или золотисто-жёлтые, собранные в конечные кисти.

Стручки несколько вздутые, грушевидные, створки с плоским краем, гнёзда многосемянные; семена мелкие, богатые маслом, благодаря чему виды рыжика возделываются как масличные растения.

Известно около восьми видов, растущих в средиземноморской области, в Центральной Азии и в Средней Европе.

В европейской части России дико растут три вида рыжика:

Camelina alyssum (MILL.) THELL. – Рыжик льняной [syn. Camelina dentata PERS.]

Camelina microcarpa ANDRZ. EX DC. – Рыжик мелкоплодный – растёт по известковым склонам, песчаным местам и в посевах;

Camelina sativa (L.) CRANTZ – Рыжик посевной – техническая культура, возделываемая для производства рыжикового масла. Произрастает и как сорное растение, на полях и при дорогах.

Из них наиболее часто встречаются два последних. Различаются эти два вида тем, что у первого стручки немного сжаты со стороны створок, плоский край створок широкий; столбик вдвое короче стручка, тогда как у Camelina sativa столбик в 4–6 раз короче стручка.

Большинство видов рыжика – медоносы

Из семян рыжика посевного (Camelina sativa) изготавливается рыжиковое масло.

Биомасса растений может использоваться в качестве сырья при производстве биотоплива второго поколения.

Рыжиковое масло – растительное масло, получаемое из семян масличной культуры – рыжика посевного (Camelina sativa),[7-53].

Свойства.

Рыжиковое масло добывается из семян рыжика прессованием. Содержание масла в семенах 32,6—42,6 %. Выход масла при холодном прессовании составляет 18.. 20 %, при повторном горячем прессовании выходит ещё 5.7 %. Рыжиковое масло, получаемое методом холодного прессования, – золотисто-жёлтого цвета, масло повторного горячего прессования – зеленовато-коричневого или жёлтокоричневого цвета.

Рыжиковое масло отличается высоким содержанием каротиноидов (0,5–2,0 мг %), витамина Е (40—120 мг %), а также фосфолипидов (0,8 %)^[1]. Благодаря этому, неочищенное масло превосходит по стойкости к окислению другие растительные масла с высоким содержанием полиненасыщенных жирных кислот. Основная ценность рыжикового масла заключается в высоком содержании полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК): линоленовой (Омега-3) и линолевой (Омега-6)..

Масло также используют в производстве биодизеля, парфюмерии и косметике, пищевой промышленности, лакокрасочном производстве.

F-22 преодолел звуковой барьер на топливе из рыжика.

B конце марта 2011 г. президент США Барак Обама сделал важное заявление: к 2025 г. импорт нефти должен сократиться на треть, достичь чего можно только за счет развития производства биотоплива. И хотя эта инициатива президента диктуется в первую очередь соображениями национальной безопасности и стремлением к энергетической независимости, она напрямую затрагивает сектор гражданской авиации. Обама подчеркнул, что необходимо работать над переводом на биотопливо не только военной авиации, но и коммерческих перевозчиков. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) США разработала технологию получения бензина из синтез-газа через метанол. Мощность по обработке 2000 т/сутки биомассы.[55]

Стоимость сухой биомассы – 50 долл. США/т или влажной не более 35 долл. США/т.

В качестве биомассы используется быстрорастущий тополь. При урожае 3.5 т на акр в год… Выход бензина 53 литра на тонну тополя или 185.5 л на акр в год или 213.6 л/га.

Биомассу тополя размалывают и нагревают при температуре в диапазоне 400 – 600 градусов Цельсия в точение 2 секунд с последующим быстрым охлаждением. Продукты реакции включают газы, уголь и жидкое биомасла. Последнее состоит из воды, кислорода и продуктов термического разложения целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Биомаслосмесь более 300 веществ. Команда Джорджа Хубера в новой работе показала, что чистое сырье (сахар) может быть преобразовано в определенные компоненты бензина в один этап… При добавлении цеолит – катализатора и твердого катализатора, состоящего из алюминия и кремния, в процессе пиролиза, целлюлоза может быть напрямую преобразованы в ароматические соединения, которые составляют четверть химических компонентов, найденных в бензин

Рис. 7-28. Технологическая схема получения биобензина (газолина) из биомассы.[7-55].

При дальнейшем фракционировании жидкость может быть преобразована в бензин.

Сейчас команда разрабатывает катализаторы специально для конверсии биомассы.". "Наша цель, чтобы иметь возможность есть процесс, который может производить 50 галлонов ароматических от 1 тонны биомассы", говорит Хьюбер."." "Мы ожидаем, что эта технология будет значительно ниже, чем капитальные вложения целлюлозный этанол и синтез-газа конверсионных технологий". Доктор Д. Хубер полагает, что эта новая технология позволит получать в год из древесины до 127 млн. тонн биобензина… Опытный химический минизавод, который, возможно, в будущем заменит нефтеперерабатывающее производство.

"Благодаря этому открытию, мы можем производить сырье для химической промышленности исключительно за счет пиролиза, – говорит профессор химической инженерии Джордж Хубер (George Huber). – Мы делаем из биомассы те же молекулы, которые в настоящее время производятся из нефти, т. е. изменение производственной инфраструктуры не потребуется. Новая технология положительно повлияет на экономику, поскольку пиролитические биомасла в настоящее время есть в продаже, но в отличие от их производителей мы используем возобновляемое сырье, что снижает зависимость от нефтяных месторождений, и к тому же фермеры получат дополнительный источник дохода".

Технология основана на производстве олефинов, таких как этилен и пропилен, – "строительных блоков" многих пластмасс и смол – и ароматических соединений (в частности, бензола), которые есть в красках, пластмассах, полиуретанах. Используется двухстадийный каталитический процесс: гидрогенизация и каталитическая реакция цеолитов. Цеолит-катализатор имеет особую структуру пор и активных центров для преобразования молекул биомассы в ароматические углеводороды и олефины.

Используя новую технологию, также можно управлять выходом углерода из биомассы для обеспечения оптимального сочетания водорода и пиролитического масла с целью получения продукта высочайшего качества при минимальных затратах.

В настоящее время на территории кампуса Университета Амхерст запущен опытный завод, который производит литры химических веществ из растительной биомассы.

7-1."Добыча, запасы и потребление нефти" forex-baza.com.

7-2. Министерство энергетики США выяснило, что электромобили не станут популярными даже в 2040 году., www.eia.gov.

7-3.(The projections in the U.S. Energy Information Administration's (EIA's) Annual Energy Outlook 2013 (AEO2013)

7-4. Газета. т, 27 декабря 2013 г.

7-5.Карта-схема Крупнейших производителей биотоплива в мире.2008 г. archive.kontrakty.ua.

7–6.Этанол, Википедия – свободная энциклопедия, ru.wikipedia.org.

7-7.Производство биоэтанола в мире., www.gidra-fire.com.ua

7-8.Прогноз развития мирового рынка биоэтанола., www.cbio.ru.

7-9.Сухой процесс, KyKypy3a.,www.bioethanol.ru.

7-10. Схема производство этанола из пшеничной муки. www.google.ru.

7-11а. Топливо двойного нaзнaчения. www.vokrugsveta.ru.

7-12.БИОЭТАНОЛ, Википедия – свободная энциклопедия, ru.wikipedia.org.

7-13.Биомасса(энергия биомассы)

7-14.Гидролиз древесной целлюлозы для получения этанола., sergey-osetrov.narod.ru.

7-15.Killing Biofuels | The Resilient Earth., www.theresilientearth.com.

7-16. Гетис: Создание и продвижение сайтов в Казани., www.getis.ru.

7-17.Биоэтанол, производство биоэтанола, технология производства биоэтанола. www.agrogold.ru.

7-18.Бензин и этанол – мировые перспективы – рынок топлива,

www.samoupravlenie.ru.

7-19. Прогноз развития рынка биоэтанола в Китае., www.abercade.ru.

7-20.Метанол – Википедия., ru.wikipedia.org.

7-21. Дания рассматривает метанол как будущее топливо страны: Экономика, 7-7-22 октября 2013 www.news.day.az.

7-22..Ecomove QBEAK., news.day.az.

7-23. Биобутанол, www.bioethanol.ru

7-24. Бутанол.,

7-25. Панцхава Е.С. и др., Биогазовые технологии., МГУИЭ, М., 2008. 217 стр.

7-26. Биотоплива второго поколения., www.bioethanol.ru.

7-27. Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология».,

www.cbio.ru.

7-28. Бутанол может быть использован как топливо в двигателе внутреннего сгорания., www.sergey-osetrov.narod.ru.

7-29. Диметиловыйэфир., ru.wikipedia.org.

7-30. Volvo – лидер по использованию альтернативного топлива в мире

www.auto60rus.com.

7-31. Прямой синтез диметилового эфира из синтез-газа и его…

gr.neftegaz.ru.

7-32. Трелер Voivo Truck на ДМЭ., www.trans-port.com.ua.

7-33. Биодизель., ru.wikipedia.org.

7-34. Блок-схема производства биодизельного топлива.,

www.biodiesel.com.ua.

7-35. Биодизельный реактор кавитатор., biodieselmach.com.

7-36. Биодизель (biodiesel)., www.shkolazhizni.ru.

7-37. Биодизель Из Водорослей – Топливо Будущего., www.rusarticles.com.

7-38. Немного об авто: Март 2011., www.shipohan.blogspot.com.

7-39. Биодизель из водорослей, VertiGro, водоросли – Биодизель… www.374.ru.

7-40. Ультразвуковая переэтерификация масел в биодизель., -46. What are aviation biofuels?., en.wikipedia.org.

7-47. Наука и техника: F-22 преодолел звуковой баwww.biodm.ru.

7-41. Академик Н. А. Платэ «Некоторые аспекты создания экологически чистых топлив XXI века»., www.autofixa.ru.

7-42. Керосин., ru.wikipedia.org.

7-43. Бензин ru.wikipedia.org.

7-44. Летаем на биотопливе.,

7-45. Первый полет на биотопливе в латинской америке., www.aex.ru.

7-46. Курьер на …,www.lenta.ru.

7-48. Энергоэффективность: польза для предприятий -

FacePla.net

www.facepla.net.

7-49. Ятрофа., ru.wikipedia.org.

7-50. Ятрофа является самым эффективным источником биотоплива. www.facepla.net.

7-51. Рыжик посевной – camelina sativa., grainboard.ru.

7-52. Analysis: Central Asian biofuel potential.,

753. Рыжиковое масло., ru.wikipedia.org.

7-54. Биотопливо в авиации: демонстрация озабоченности., www.ato.ru.

7-55. Gasoline from wood via integrated gasofication, synthesis, and mwthanol-to-gasoline technologies. www.nrel.gov.

7-56. Citroen выпускает первый автомобиль на биотопливе., auto.newsru.com.

7-57. GM создал Hummer H3 на биотопливе., www.autoblog.ru.

7-58. Внедорожники Hummer будут работать на биотопливе., www.autonavigator.ru.

7-59. Елизавета II за «зелёных»: королевский Bentley переводится на биотопливо iphone.luxurynet.ru.

7-60. Екатерина Гафыкина, аналитик ИАЦ "Кортес"., ato.ru.

Глава 8. Третье поколение биотоплив – получение биотоплива из водорослей

Получение энергии из водорослей на сегодняшний день считается «Святым Граалем» среди всех источников получения альтернативной энергии в мире. Водоросли являются третьим поколением сырья для производства биотоплива и представляют собой одну из самых интересных возможностей решения будущих энергетических проблем, в особенности транспортного топлива. В последние годы эта отрасль (Aglae power) будет быстро развивается. [8–1].

В США полагают, что к 2014 году доля биотоплива в общем потреблении может достигнуть 3 % (123 млрд литров). [8–1]

Водоросли являются первичными продуцентами органического вещества в водах Мирового океана и пресных водоемов суши, причем годовая продуктивность морских водорослей сопоставима с продуктивностью всей наземной растительности, включая сельскохозяйственные угодья. В мире насчитывается 35–40 тыс. видов водорослей.

Водоросли – постоянно возобновляемый ресурс, источник получения пищевого и кормового белка и других ценных соединений (углеводов, липидов, витаминов), поэтому во всем мире внимание специалистов приковано к проблеме искусственного разведения макроводорослей и промышленного культивирования микроскопических) Водоросли в зависимости от условий культивирования могут содержать: белков от 9 до 88 %, углеводов – от 6 до 37 % и жиров – от 4 до 85 %.[8–2].

Водоросли, и микроскопические в частности, характеризуются наиболее высоким КПД усвоения световой энергии по сравнению с другими фотосинтезирующими организмами… Продуктивность водорослей, особенно микроскопических, приближается к потенциально возможной. Так, у хлореллы в закрытых полностью автоматизированных опытных установках при искусственном освещении она составляет 100–140 г сухого вещества на 1 м2 в сутки. Это соответствует 1–1,4 т/га (в сухой массе) в сутки или 360–500 т/га в год. Средняя продуктивность микроводорослей при их массовом культивировании в установках открытого типа при естественном освещении находится в пределах 14–35 г/м2 (в сухой массе) в сутки, максимальная достигает 60 г/м2 в сутки. Если исходить из средней суточной продуктивности 20 г/м2 и продолжительности вегетационного периода 6 месяцев, среднегодовая продуктивность установок этого типа составит 72 т/га (в сухой массе) в год. Практически такой показатель (50–80 т/га в год) достигнут во многих странах в открытых культиваторах разного типа. Культивирование видов рода Spirulina позволяет получать 128 т/га белка в год. Продуктивность культуры микроводорослей на порядок выше по сравнению с продуктивностью пшеничного поля. [8–2].

Исследователям Аликантского университета в Испании удалось резко ускорить рост водорослей… Если в открытом море в естественной среде на каждый кубометр воды приходится до 300 экземпляров водорослей, каждая из которых наполовину состоит из жира, то исследователи получили 200 млн. экземпляров на тот же кубометр воды. Микроводоросли растут в пластиковом цилиндре диаметром в 70 см и длиной в 3 м. Это и есть водорослевая ферма. [8–3].

Один раз в день содержимое цилиндра подвергается центрифугированию. Остаток представляет собой практически стопроцентное биотопливо. Насыщенная жирами часть этой массы преобразуется в биодизель. Один килограмм пасты из водорослей имеет энергетическую ценность в 5700 килокалорий. В сосуде объемом всего в 2 куб. м можно получить 6 кг биомассы. Причем затраты энергии на ее получение значительно меньше, чем при выращивании сои или подсолнечника, а конечный результат намного выше.

Ученые планируют не только изготовлять из водорослей горючее, но и снижать уровень двуокиси углерода, который образуется при производстве электроэнергии с использованием органических видов топлива. Планируется выбросы СО₂ и угарный газ направлять в биореакторы, наполненные водорослями. Эти газы действуют на водоросли как удобрения, способствуя их ускоренному размножению.[8–3]. Какой же вид водорослей лучше всего подходит для энергетических целей? Исследования в Регенсбургском университете в Германии показали, что одним из таких видов является Chlorella, которая способна отфильтровывать до 50 % СО₂. Однако фотосинтез происходит только при постоянном освещении. Поэтому реальнее говорить о 20 % СО₂, поглощённого из выбросов с помощью водорослей. Так, средней величины ТЭС могла бы в год производить до 20 тыс. тонн водорослей. [8–3].