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

Различные источники утверждают о высокой рентабельности производства по получению биотоплива из микроводорослей, в частности самой перспективной считается «Botryococcus braunii». Действительно микроводоросли это самые быстрорастущие организмы на Земле, некоторые виды могут содержать до 80 % липидов. Это факт. Но, 80 % липидов могут содержать далеко не все виды микроводорослей. В нормальном состоянии содержание липидов составляет 5 – 30 % и только в состоянии стресса микроводорсли увеличивают в своем организме содержание жира. Для получения 1 килограмма сухого вещества микроводоросли растущие организмы необходимо снабдить 10 % чистого азота или в пересчете на 100 г азота или 500 – 600 грамм азотосодержащих минеральных удобрений. Так же организм водорослей состоит из углерода (он является основной составляющей) и для получения того же 1 килограмма сухого вещества необходимо 50 % углерода или в пересчете на СО₂ примерно 2,4 килограмма. Но это еще не основная часть статьи расходов. На 1 м² освещаемой поверхности можно вырастить примерно 8 грамм водорослей в перерасчете на сухой вес и это при интенсивности освещения 150 Вт на м² 18 – 20 часов.

Израильские компании также активно работают над производством более экологичного топлива, получаемого из водорослей и других видов растений.

Компания TransAlgae [8–5].

В научно-исследовательском центре Института им. Вайцмана компания Trans Algae разрабатывает и налаживает серийный выпуск генетически модифицированных водорослей, которые могут быть использованы как для производства энергии, так и в качестве корма для животных. Компания, основанная в 2008 году, утверждает, что ее технология “отделит качество жизни от зависимости от импорта нефти и от выбросов углекислого газа”.[8–5].

Компания вырастила первое поколение генетически модифицированных водорослей и основала исследовательский объект на генераторной установке, работающей на природном газе. Так как водоросли потребляют углекислый газ в объеме, в два раза превышающем их вес, любой углекислый газ, высвобождаемый при последующем сгорании выработанного из водорослей биотоплива, компенсируется за счет углекислого газа, использованного при выращивании водорослей. Таким образом, объясняет компания, скромный завод по производству водорослей может внести большой вклад в борьбу с глобальным потеплением. TransAlgae занимается в основном разведением водорослей, произрастающих в морской воде, хотя их разведение возможно и на непахотной земле рядом с морем.

Процесс добычи биотоплива порождает также еще один ценный биопродукт – биомассу, которую можно продавать в качестве концентрата с высоким содержанием белка для корма животных. TransAlgae предполагает, что ценность этого корма может быть достаточно велика, чтобы компенсировать львиную долю затрат на производство водорослей, что сделает биотопливо, добываемое из них, конкурентоспособным по своей стоимости скорее, нежели сейчас ожидается.[8–6].

Суперсовременная гидрологическая система компании Seambiotic.

Основанная в 2003 году и расположенная в Ашкелоне компания Seambiotic изначально занималась производством и продажей продукции из жирной кислоты омега-3, добываемой из морских микроводорослей, но скоро расширила сферу своей деятельности, включив в нее также производство продуктов биотоплива. Компания утверждает, что была первой в мире, сумевшей добыть галлоны биодизеля и биоэтанола из морских микроводорослей, культивируемых с использованием дымовых газов из труб.

Рис. 8–1. Производство водорослей.[8–7].

Seambiotic провела пятилетние опытные исследования в Ашкелоне, на электростанции израильской Электрической компании. В рамках этих испытаний углекислый газ из дымовых труб выкачивался прямо в открытые пруды, построенный компанией. В сотрудничестве с крупнейшим в Китае производителем электроэнергии, компания строит сейчас крупномасштабное предприятие для коммерческого выращивания водорослей в Яньтае, Китай.[8–7].

Компания также работает совместно с Rosetta Green над разработкой штаммов водорослей с улучшенными генетическими характеристиками для производства биотоплива. Кроме того, американский филиал компании Seambiotic сотрудничает с исследовательским центром “Гленн” при НАСА над оптимизацией процесса роста микроводорослей, которые будут использоваться в качестве сырья для авиационного биотоплива.

Компания Algaenesis [8–7].

Головной офис компании расположен в Иерусалиме. Algaenesis утверждает, что компания разработала технологические инновации, представляющие “смену парадигмы” в сфере разведения микроводорослей и серьезно снижающие стоимость их производства. Речь идет, в частности, о распознавании оптимальной интенсивности света, способствующей максимальному росту водорослей, и патентованной системе “распространения света”, способной накапливать весь доступный солнечный свет в дневное время с целью обеспечения оптимальной яркости. Изначально компания была ориентирована на рынок пищевых добавок с Омега-3. [8–7].

Сегодня человечество является свидетелем новой революции в области получения из непищевого возобновляемого сырья топлив, практически не отличающихся по свойствам от традиционных и способных их заменить. Такое топливо не потребует замены или переделки двигателей, приспособленных для работы на топливе нефтяного происхождения. В качестве такого сырья выбраны водоросли. От растений, произрастающих на твердом грунте, они отличаются рядом преимуществ – высокой урожайностью, способностью развиваться в воде, а не на пахотной земле. [8–8] [8–9].

Сравнение энергонасыщенности масличных культур показывает, что удельная энергетическая ценность водорослей с 50 %-ным содержанием липидов (930 МВт» ч/га) в 15,5 раз больше, чем у самой энергонасыщенной наземной масличной культуры – китайского сального дерева (60 МВт-ч/га).

Существуют водоросли, в которых содержание триглицеридов, основы растительного масла, более половины массы. Ни одно из существующих наземных растений не в состоянии конкурировать с водорослями по эффективности фотосинтеза, лежащего в основе урожайности и по содержанию масел и, соответственно энергии в них.

Потенциал производства масла из различных культур характеризуется следующими показателями: «производительность» кукурузы составляет 172 л на гектар в год; пальмового масла 5950 л/гектар, а типичных «энергетических» водорослей – до 95000 л/га при выращивании в открытых водоемах.[8–8].

При замене дизельного топлива нефтяного на дизельное топливо, произведенное из хлопкового масла, нужно засеять всю поверхность Земли, включая водные пространства и полюса, из сои и рапса – более четверти, из пальмового масла – шестнадцатую часть, из водорослей – весьма незначительную площадь.

CO₂ был и остается самым масштабным отходом промышленности. Защита окружающей среды слишком дорого обходится промышленному потенциалу. Водоросли в производстве энергоносителей превращают углекислый газ из проблемы в фактор прибыли. CO₂ становится важнейшим ресурсом, который можно поставить на промышленную основу. Из углекислоты с фотосинтетической эффективностью 510 % при минимальных затратах воды, на земле, непригодной для использования в сельскохозяйственных целях, можно получить либо биотопливо, либо сырье для химической промышленности. [8–8].

Рис. 8–2. США. Установка, на которой их ученые исследуют возможности производства биотоплива из водорослей. [8-10].

10 преимуществ водорослей:

1. Непищевая биомасса – не представляет угрозы продовольственной безопасности. 2. Растут в 20–30 раз быстрее наземных растений (некоторые виды могут удваивать свою массу несколько раз в сутки). 3. Производят в 15-100 раз больше масла с гектара, чем альтернативные рапс, пальмовое масло, сало и др. 4. Отсутствие твердой оболочки и, практически лигнина, делает их переработку в жидкие топлива более простой и эффективной. 5. Производство и использование биотоплива не требует изменения российского законодательства, как в случае с этаном. 6. Растут в пресной, соленой воде или в промышленных стоках, где используется для их очистки. 7. Можно выращивать промышленно в биореакторах или фотореакторах с искусственным освещением, либо в открытых резервуарах на некультивируемых почвах, включая пустыни. 8. Фотореакторы встраиваются в технологические линии уже существующих промышленных предприятий (ТЭЦ, НХ, цементные заводы). 9. Уменьшают эмиссию углекислого газа (поглощают до 90 % CO₂ с выделением кислорода). 10. Являются источниками масел, протеинов, углеводородов.[8–8].

При получении биоэтанола из биосахаридов (от крахмала до лигноцеллюлозного сырья) всегда образуется углекислота в количестве (по массе), равном количеству полученного спирта. Если встроить в схему биореактор с водорослями, можно дополнительно получать биотоплива, максимально оптимизировав затраты, то же при сжигании угля и других процессов из высших жирных кислот благодаря водорослям можно получать продукты, которые на сегодняшний день производятся в нефтехимии ценой огромных затрат. Длинноцепочные линейные молекулы могут быть превращены в a-спирты, а-олефины, полиакрилаты и первичные амины – продукты с высокой добавленной стоимостью.

Актуальность получения моторных топлив из биомассы у большинства стран не вызывает сомнений. Альтернативная энергетика стала одним из первых приоритетов новой администрации США. Несмотря на глубокий экономический кризис, планируется 150 млрд. долларов в течение 10 лет на развитие альтернативной энергетики, в которой преобладающее место занимает биоэнергетика, с целью использования 20 % моторного топлива из биомассы в общем топливном балансе страны к 2017 году. Приняты и реализуются национальные (Бразилия, США, Китай, Мексика и др.) и региональных (Европейское сообщество) программ производства и использования биотоплива с целью замены на него традиционного углеводородного топлива. Лавинообразно растет количество компаний и организаций, работающих в области переработки водорослей в энергоносители (единицы в 2007 г. и более 200 сейчас). [8–8].

Россия значительно отстаем от Запада в разработке современных инновационных технологий переработки биомассы наземного происхождения. Пока это отставание не сказывается на возможностях быстрой разработки технологий производства биотоплив из водорослей. Новые технологии просты в аппаратурном оформлении и представляют собой ряд известных и отработанных в других отраслях химической и нефтехимической индустрии методов.

В России сложилась своя научная школа предлагающая технологии с лучшими показателями в сравнении с зарубежными аналогами.

Технологический прогресс производства моторных топлив из водорослей практически безотходен. Сухие отходы биомассы сохраняют все витамины и ценные вещества, поэтому могут быть использованы как подкормка в рыбоводческих и животноводческих хозяйствах. Кроме того, возможно их превращение в еще один вид энергоносителей – топливные брикеты.

При наличии финансирования технологии, доведенные до промышленного применения, могут принести в течение 2 – 2,5 лет значительный экономический эффект. Московская ТЭЦ-21 – вырабатывает в год 9,1 млрд. кВт-ч электроэнергии, полное использование выбросов CO₂ для выращивания водорослей позволит произвести жидкие энергоносители суммарной энергетической ценностью от 8 до 11,4 млрд. кВт-ч/год.

Таким образом, использование моторных топлив из водорослей может внести значительный, сопоставимый с производством электроэнергии вклад. Иными словами речь идет не об использовании смеси из «зеленого» и нефтяного топлива, а производстве точно таких же топлив, но из другого, возобновляемого сырья.[8–8].

Существует серьезная политическая и финансовая поддержка нового направления, в особенности в США, но возможно, что ведущие нефтяные и энергогенерирующие компании Shell, BP, Chevron и другие уделяют серьезное внимание новому направлению, инвестируют в его развитие, осознавая неизбежность возникновения нового сектора рынка, так как они не хотят терять контроль над рынком моторных топлив.

Согласно Акту энергетической независимости и безопасности США планируют к 2022 году достичь производства биотоплива непищевого происхождения в объеме примерно 80 млн. т/год. Принимая во внимание тенденцию роста доли биотоплив из водорослей можно полагать, что к 2022 году оно перешагнет порог 50 %, что соответствует 40 млн. т/год и составляет 43 % нынешнего потребления бензинов и дизельных топлив в России (примерно 92 млн. т/год, из них 32 млн. т/год бензина и 60 млн. т/год – дизельного топлива). [8–8].

Эйхорния – самое уникальное водное тропическое растение, акклиматизированное в средних широтах с выживанием до нулевой температуры воды. Уникальность: сверхбыстрое вегетационное размножение и способность очищать воду почти от любых химических и бактериологических загрязнений. Это плавающее водное растение, надводная часть которого состоит из листьев и цветка (второе название – водный гиацинт). В воде находятся нитевидные корни, на которых находятся множество полезных микроорганизмов, в том числе бактерии метановой группы.[8-11].

Произрастает эйхорния в естественных условиях в странах с тропическим и субтропическим климатом. При создании благоприятных условий в интервале температур 16 – 32 °C растение может вегетировать в любом регионе, включая северные районы. Непременным условием вегетации растения является вода, загрязненная различными промышленными и бытовыми стоками и отходами, которые играют роль питательной среды для эйхорнии. В этих условиях растение многократно воспроизводит себя. Зеленая масса эйхорнии используется для производства биогаза, в состав которого входит до 75 % метана. Так же из эйхорнии можно производить удобрения, корм для животных и птиц, бумагу. В одной тонне эйхорнии содержится до 60 кг калия, до 21 кг азота, до 17 кг фосфора, до 26 кг протеина с высоким содержанием незаменимых аминокислот. [8-11].

Проводимые работы по использованию эйхорнии в целях очистки загрязненных вод дали результат ее прироста до 10–15 кг в сутки с одного квадратного метра поверхности биопруда, т. е. за сутки биопруд площадью 1000 м² способен производить до 15 тонн биомассы эйхорнии, причем трудоемкость обслуживания биопруда является минимальной. [8-11].

Замечательный результат эйхорния дает, перерабатывая различные органические отходы, каковыми могут быть пищевые отходы, отходы птицефабрик и животноводческих ферм, канализационные стоки, содержимое очистных сооружений и др. Расщепляя эту «пищу» эйхорния в сочетании с отходами способна производить из одной тонны биомассы до 800 м³ биогаза. [8-11].

Эйхорния обладает уникальным свойством – поразительно высокой скоростью вегетативного размножения. Одна розетка за 50 суток образовывает до 1 тыс. отпрысков, каждый из которых, в свою очередь, вновь начинает делиться. За 3 месяца одно растение превращалось в миллион, а за полгода – в триллион экземпляров! [8-11].

Из эйхорнии можно получать энергоносители, кормовые добавки и удобрения, а также при помощи специальных технологий (на основе свойств эйхорнии) имеется возможность значительно улучшить экологическую обстановку в проблемных областях нашей страны, позволят утилизировать практически все вредоносные жидкие отходы и газообразные выбросы промышленности, затратив на это гораздо меньше средств, чем при использовании ныне существующих. [8-11].

В природе нет растения, способного конкурировать по биопродуктивности с этим древнейшим представителем высшей водной растительности. Эта биомасса может быть использована для получения различных видов биотоплива и бионефти. Перспективным вариантом переработки эйхорнии является получение из неё биогаза, а из биогаза электроэнергии и тепла. Попутно можно получить высокоценное удобрение. Энергия, заключенная в 28 куб. м биогаза, эквивалентна энергии 16,8 куб. м природного газа, 20,8 л нефти или 18,4 л дизельного топлива. [8-11].

Рис. 8–3. Схематическое изображение технологии производства биогаза и тепловой и электрической энергии их Эйхорнии.

Переброженная масса – это биоудобрения, готовые к использованию. Ниже приведены некоторые показатели:

Площадь занимаемая одним растением – 0,015 кв. м,

Вес одного растения – 0,66 кг,

Количествово биомассы с 1000 кв. м – 10 000 кг в сутки,

Количествово биогаза из 1 т биомассы = 500 куб. м,

Из 1 куб. м биогаза при сгорании получается 2 кВт электроэнергии и 2 кВт тепла,

Объём биогаза 10 т х 500 куб. м = 5000 куб. м,

Количество электроэнергии в сутки – 10000 квт и 10000 квт тепла,

Количество электроэнергии в час – 10000/ 24 часа = 417 квт/час [819].

Рис. 8–4. Использование Эйхорнии для очистки сточных вод.

Ещё один способ получения энергии из биомассы эйхорнии – это синтез искусственной нефти. Если не вдаваться в подробности, в основе синтеза искусственной нефти – простой нагрев биомассы до 500 градусов без доступа кислорода, перегонка и конденсация полученной смеси. Синтетическая нефть по виду получается такой же, как обычная, хотя существенно отличается по химическому составу. Но куда важнее, что технически из этой искусственной, или как ещё говорят, бионефти можно вырабатывать практически все продукты, которые сегодня делают из нефти природной – различные виды моторного топлива и химикаты. [11].

Кроме выработки электрической и тепловой энергии, неотвратимым побочным, но немаловажным для сельскохозяйственного производства, результатом утилизации отходов, является:– получение биоудобрений и биокормов;

В юго-восточной Азии эйхорния служит пищевой добавкой в рационе домашней скотины. В эйхорнии очень высоко содержание протеина, каротина, витаминов А, В, С, Е. Эйхорния дает зеленую массу, в 1 т которой содержится 60 кг К, 20 кг N, 17 кг Р, 28 кг белка. – корм из эйхорнии способствует большему усвоению корма животными и птицами;

– 10 %-ная добавка зеленого корма эйхорнии к основному корму свиней способствует повышению усвоения ими основного рациона;

– сокращение нагрузки на пастбища (на 40–50 %) при выращивании эйхорнии рядом.[11]

Эйхорния совместно с хлореллой являются прекрасным полноценным кормом для промышленного животноводства. Можно выращивать животных в стойловом варианте. 1000 кв. м эйхорнии позволяют содержать 2000 овец. Исследовали растения одно-, двух– и трехмесячного возраста с целью опредления их качества в виде кормов травяных по ГОСТ 18691-88. Было установлено содержание сырого протеина от 30 до 40 %, сырой клетчатки от 8,3 до 11,4 %, что соответствует нормам 1-го класса. Растения при проверке на токсичность показали содержание ниже ПДК, что позволяет сделать вывод о возможности применения растений после соответствующей обработки в качестве корма животным, рыбам и птицам при разработке рациона их питания.

Таблица.8-1

Результаты анализов по определению качества эйхорнии

*исследования проводились на образцах, предварительно высушенных до сухого состояния – результаты анализов даны на сухое вещество.[8-11].

Эйхорния хорошо сушится, гранулируется, силосуется. В сухой массе содержится до 39 % сырого протеина, 2,7 % жира, до 183 мг/кг каротина, весь набор аминокислот и микроэлементов (кальций – 1,6–1,8 %, сера, молибден, медь, цинк, марганец, железо и др.), около 10 % пектина. [8-11].

Эйхорния еще в 1884 году был введена в культуру во Флориде. Зоны интродукции (показаны зеленым цветом), начиная с конца XIX века, распространились в южной части Северной Америки и Азии, Индонезии и Австралии, в Южной Америке и Африке…

Рис. 8–5. Зоны интродукции Эйхорнии на земном шаре.

Водоросли – это экономически эффективный способ получения горючего и разнообразного химического сырья из загрязняющих атмосферу планеты выбросов тепловых электростанций и других производств, который успешно испытывают в США.[8-12]. (Корпорация GreenFuel Technologies из Массачусетса разработала Технологию Emissions-to-Biofuels – уникальную в своей способности снижать выбросы углекислого газа с пользой в виде выработки нового топлива.[8-12].

В опытной промышленной установке, работающей в Аризоне, выброс тепловой станции превращается в биодизельное горючее.[8-12].

Южноафриканская компания De Beers Fuel Limited получила от GreenFuel Te-chnologies лицензию на технологию Emis-sions-to-Biofuels.. Сейчас там занимаются синтезом горючего из растительных масел. «…Соя даёт 48 галлонов сырья (масла) с одного акра, канола -140 галлонов, а водоросли 10 тысяч галлонов», – отмечают специалисты De Beers Fuel.

Изобрёл этот метод и основал GreenFuel Technologies Исаак Берзин (Isaac Berzin), учёный из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology). Он организовал эксперимент с морскими водорослями на Международной космической станции и тогда задумался об их удивительной способности к быстрому размножению с минимумом требований к среде (например, им не нужна особо чистая вода).

В 2005-м предприимчивый учёный договорился с властями Аризоны и запустил опытную станцию для выращивания водорослей. С тех пор он экспериментирует с необычными зелёными колбами, забирающими часть выбросов местной электростанции. Прошлой осенью здесь начали получать пригодные, в принципе, для продажи биодизель и этанол. Хотя пока система работает как эксперимент.

Рис. 8–6. Схема технологического цикла Emissions-to-Biofuels: 1 – дымовые газы тепловой электростанции, 2 – биореактор с водорослями, 3 – вентилятор, 4 – выход кислорода и азота, 5 – первичная сушка (стрелка, идущая обратно в реактор – рециклинг воды), 6 – биомасса, 7 – этанол, метанол, 8 – биодизель, 9 – протеиновый концентрат, 10 – другие продукты, 11 – автомобильное топливо (вроде E85). Стрелка, идущая от спиртов и биодизеля к изображению тепловой станции, означает, что их можно не только продавать автомобилистам, но использовать для выработки электричества тут же, на месте производства (иллюстрация GreenFuel Technologies).

Кэри Баллок (Cary Bullock), директор GreenFuel Technologies, утверждает, что в случае создания массовой промышленной установки такого типа можно будет получать по 200 тонн водорослей с акра свободной площади в год. Балок добавляет, что коммерческое производство продукции по фирменной технологии начнётся в 2008 году: в Аризоне, а также у партнёров компании – в Австралии и Южной Африке. Проявляют интерес к американской технологии и в Европе.

При этом массачусетские экспериментаторы утверждают, что капитальные затраты на создание такой установки низки, потребности оборудования в электричестве также невелики, и установка по выращиванию водорослей никак не влияет на работу тепловой электростанции. Мол, окупаться такая коммерческая система должна быстро.

Компании удалось решить ряд проблем, с которыми столкнулись в других лабораториях и институтах при построении сходных по принципу действия систем. Тонны водорослей отдают топливо в обмен на дым заводской трубы. [8-12]. Во многих странах учёные ведут работы по фотобиореакторам на основе водорослей.

Далее этот зелёный состав пропускают через первичную сушилку, которая отделяет воду и направляет её обратно в биореактор. Полученный высококонцентрированный раствор водорослей (здесь их концентрация в 10–30 раз выше, чем в реакторе) поступает в следующую секцию установки.

В данном случае – это система, производящая из биомассы дизельное топливо. [8-12].

Американские новаторы заявляют, что их метод позволит получать и спирты, и метан, и биодизель, и водород с синтез-газом, и просто – брикеты твёрдой биомассы для разнообразного дальнейшего использования.

Если опыты с биотопливом увенчаются успехом, это радикально изменит не только экономику, а картину мира в целом.

Синтия Уорнер удивила многих, уйдя с высокого поста в нефтяном гиганте BP в маленькую компанию, производящую биотопливо из морских водорослей. Она считает, что это «ключ к будущему земли». [8-13].

Мир явно хочет соскочить с «нефтяной иглы» и делает шаги в этом направлении. Никто не знает, когда эксперименты с биотопливом увенчаются успехом, и увенчаются ли вообще – с точки зрения экономической целесообразности. Пока биогорючее обходится дороже, чем горючее из нефти. Цель компании Sapphire Energy – производство биотоплива из морских водорослей в промышленных объемах, чтобы его покупали нефтеперерабатывающие заводы. С мелкими партиями сырья НПЗ не работают, нецелесообразно. Если калифорнийской компании удастся выйти на такие обороты, а это планируется уже в 20112012 годах – это будет прорыв, и «жизнь после нефти» перестанет быть. [8-13]