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

Солнце, ветер и геотермальные воды могут дать электричество, но для того, чтобы перемещаться в пространстве, требуется высокоэнергетичное жидкое топливо. [8-13]

«Углеводороды необходимы также в химической промышленности, и в производстве многих строительных материалов, – говорит Уорнер. – Земля быстро стала бы голой, если бы нам пришлось вернуться к строительству из дерева.

Одноклеточный организм, производящий фотосинтез, образует крохотный жировой пузырек, который позволяет ему плавать на поверхности воды. Доисторические предки этого организма были источником образования углеводородов, и по своей природе он ближе к нефти, чем зерновые, пальмы или растения рода ятрофа, из масла которых пытаются делать биодизельное топливо.[8-13].

В мае 2008 года в лаборатории Sapphire впервые в истории получили из возобновляемых ресурсов бензин с октановым числом 91.

В сентябре 2010 года компания, получив грант Министерства энергетики ($50 млн.) и кредит под гарантии Министерства сельского хозяйства ($54,5 млн.) начала строительство на 300 акрах опытного завода в Нью-Мексико.

Завод должен производить несколько сотен баррелей нефти в день. Если все будет хорошо, Sapphire продолжит коммерческое развитие проекта, чтобы к 2018 году производить уже десятки тысяч баррелей в день.

Срок жизни водорослей долог, а число их ошеломляюще велико.

Получение и технология биотоплива из водорослей привлекает ученых, предпринимателей и таких гигантов «нефтянки», как Exxon Mobil. Компании:

Sapphire

Место: Ла Хойя, Калифорния; фабрика в Нью-Мексико

Метод: выращивание морских водорослей в открытых водоемах, напоминающих плавательные бассейны

Algenol

Место: Бонита-Спрингс, Флорида

Достижения: в мае 2010 года создано совместное предприятие с Valero – одним из крупнейших переработчиков нефти в США; партнерство с Dow Chemical

Метод: выращивание водорослей в фотобиореакторах из дешевого пластика, напоминающих бутылки с содовой. Аналитик Марк Бюнгер называет эту технологию «очень осмысленным подходом»

Solazyme

Место: Сан-Франциско, Калифорния.

Достижения: компания № 1 в биоэнергетике в 2009–2010 годах, по версии специализированного. Biofuel’s Digest. Уже продает тысячи галлонов искусственного биотоплива военно-морским силам США

Метод: кормление сахаром водорослей, которые растут в металлических фотобиореакторах, похожих на огромные чаны, в которых варят пиво.

Synthetic Gemonics

Место: Ла Хойя, Калифорния

Достижения: в июле 2009 года один из лидеров мировой «нефтянки» Exxon Mobil объявил, что инвестирует $600 млн. в создание генетической карты водорослей. Эта работа проводится в рамках проекта «Геном человека» Крейга Вентера

Метод: исследования, которые должны дать ответ на вопрос, в чем эффективнее выращивать водоросли – в закрытых фотобиореакторах или в открытых водоемах.

Сине-зеленые водоросли могут стать настоящим золотым клондайком. Зловонные и уродливые водоросли несложно преобразовать в удобрения и биотопливо. (2010 г.)

Качественный газ из Днепра – для нас! [8-14].

Из зловонных водорослей можно получить очень качественный энергетический продукт, калорийный и без вредных примесей – ну просто идеальное экологическое биотопливо – содержание метана – 85

Газовая установка в Кременчуге.

Технология КГУ им. Остроградского (Украина) по переработке сине-зеленых водорослей в биогаз.

1. Притопленная платформа (наподобие баржи) плывет по Днепру и откачивает верхний слой воды вместе с синезелеными водорослями. Буксир тянет платформу до станции переработки.

2. Жидкость попадает в камеру обогащения, где отфильтровывают воду и раствор сине-зеленых становится еще более насыщенным.

3. Концентрированный раствор сине-зеленых водорослей помещают в специальный бункер, где под воздействием солнечного тепла происходит процесс брожения, в результате которого образуется биогаз.

4. Когда газ собран, остатки водорослей используют как удобрение.[8-14].

Наиболее важной культурой для получения альтернативной энергии, выращиваемой на Востоке (Филиппины), является красная водоросль Eucheuma. В настоящее время на Филиппинах выращивается более 10000 т сухой массы в год по рыночной стоимости 250–700 долл. за тонну. (2010 г.) [8-15].

Рис. 8–7. водоросль Eucheuma [8-15].

Eucheuma культивируется в прибрежных лагунах и других доступных мелководьях, а также защищенных прибрежных районах и в прудах с поликультурой ханос. Размножение осуществляется с помощью черенков зрелых растений, которые в процессе развития удерживаются на месте с помощью различных трубопроводов, сетей и клетей.

В Северной Японии выращивают Undaria pinnatifida. Вначале для этого использовались поплавки, на которые оседали молодые спорофиты. В настоящее время молодые спорофиты получают в лабораториях, а затем их высаживают на плоты или горизонтальные трубы. Один плот размером 36,6 х 1,5 м может удерживать до 112,5 кг сухой массы Undaria в год. Аналогичный способ выращивания Undaria начали применять в Северном Китае.

На Тайване в солоноватых прудах в качестве поликультуры с крабами, креветками и ханосом выращивают Gracilaria, Gelidium и Monostroma, наиболее важной из которых является Gracilaria. В Японии Monostroma выращивают и поставляют на рынок совместно с Porphyra. Gloiopeltis в Японии выращивают на размещенных в воде валунах или бетонных блоках, к твердой поверхности которых прикрепляются спорофиты. Gaulerpa выращивают в Японии в прудах поликультуры в основном таким же образом, как и Gracilaria на Тайване.

Внимание заслуживают два необычных эксперимента, один из которых был выполнен советскими учеными. Цель эксперимента состояла в выращивании крупной бурой водоросли Phyllogigas с двустворчатыми моллюсками в районе Антарктики [8-15].

Крошечная морская водоросль, которая может служить топливом для автомобилей, кормом для скота и к тому же она существенно снижает загрязнение окружающей среды. Слишком хорошо, чтобы быть правдой.

В университете Австралийского Северного Клинсвенда ученые сделали открытие, которое со временем может оказать существенное воздействие на несколько видов индустрии.

Сама водоросль не нуждается в особых условиях, чистая морская вода и свет – этого ей вполне достаточно, чтобы расти и развиваться. Она к тому же высасывает углекислый газ – этого требуют молекулы хлорофилла, из которых она состоит по большей части. Но, кроме того, она способна превратить углекислый газ в гораздо более полезные ресурсы – в сахариды, протеины и даже масло.

Водоросль чрезвычайно быстро размножается, она способна увеличить массу вдвое за каждые 48 часов. Поскольку в ней довольно высокое содержание масел, ее можно использовать в качестве сырья даже для изготовления пластика и биотоплива. А из отходов уже этого производства можно получать концентрат, содержащий до 70 % протеина и вот его можно добавлять в пищу скоту. Все, что требуется – это заполнить сырьем контейнеры, в которых водоросль может развиваться. Затем остается просто собрать урожай. На самом деле это источник постоянно возобновляемой биомассы, которая помимо всего прочего содержит иоксиданты.

Биотопливный потенциал водорослей является объектом пристального внимания учёных Франции, Германии, Японии и США с 50-х годов прошлого столетия, при этом особенно вопрос обострялся во время предыдущего нефтяного кризиса 70-х годов – в полной аналогии с нынешним состоянием дел. [8-16].

Водоросли – это органика, прекрасно подходящая для получения биодизельного топлива, обеспечивает отличный выход биомассы на каждый квадратный метр культивируемых площадей – в отличие от "сухопутных" растений; не содержит серы и других токсичных веществ – в отличие от нефти; наконец, отлично разлагается микроорганизмами и, главное, обеспечивает высокий процент выхода готового к использованию топлива: для некоторых типов водорослей – до 50 % от исходной массы! [8-16].

Микроводоросли аккумулируют для строения мембраны различные липиды и жирные кислоты, их содержание колеблется у разных видов водорослей в пределах от 2 % до 40 % от общего веса [8-16].

Рис. 8–8. Внешний вид фотобиореактора для выращивания водорослей [16].

Таблица.8-2

Получение топлива с гектара. [8-16].

При оптимальных условиях роста микроводорослей можно достигнуть производительности до 168518 литров с га в год.

34 млрд. литров биодизельного топлива может быть произведено на площади в 200 тысяч га в пустынях (для производства такого же количества биотоплива из рапса потребовалось бы занять порядка 23.5 млн. га).

В США проблемой получения недорогого биодизельного топлива для автомобилей занимаются десятки компаний и множество научных групп в самых разных университетах страны. В Центре технологий создания биотоплива (Center for Biorefining) при университете штата Миннесота (University of Minnesota) разработан "фотобиореактор", в котором обеспечивается оптимальный режим перемешивания света и питательных веществ для хорошего выхода продукции при работе даже с "дикими" культурами водорослей.

Главная цель, которая стоит перед исследователями – снижение себестоимости производства биотоплива.

Для замены всех видов топлива на транспорте США, потребуется 640 млрд. литров биодизельного топлива., Для получения этого количества потребуется суши почти 39000 квадратных км. Пустыня Sonora в юго-западной части США составляет 120000 квадратных километров. То есть, необходимая площадь составляет 12.5 % от площади этой пустыни.

Наиболее перспективным источником сырья для производства биодизеля являются водоросли. По оценкам Департамента Энергетики США с одного га земли можно получить 630 литров соевого масла, или 5930 литров пальмового масла. С такой же площади водной поверхности можно производить до 5327481 л бионефти. По оценкам компании Green Star Products с 1 га земли можно получить 540 соевого масла, 1573 л масла канолы и 112346 л из водорослей.

Департамент Энергетики США с 1978 года по 1996 год исследовал водоросли с высоким содержанием масла по программе «Aquatic Species Program»[18]. Исследователи пришли к выводу, что Калифорния, Гавайи и Нью-Мексико пригодны для промышленного производства водорослей в открытых прудах. В течение 6 лет водоросли выращивались в прудах площадью 1000 м². Пруд в Нью-Мексико показал высокую эффективность в захвате СО₂. Урожайность составила более 50 граммов водорослей с 1 м2 в день. 200 тысяч гектаров прудов могут производить топливо, достаточное для годового потребления 5 % автомобилей США. 200 тыс. гектаров – это менее 0,1 % земель США, пригодных для выращивания водорослей. У технологии ещё остаётся множество проблем. Например, водоросли любят высокую температуру, для их производства хорошо подходит пустынный климат, но требуется некая температурная регуляция при ночных перепадах температур. В конце 90-х годов технология не попала в промышленное производство из-за низкой стоимости нефти.

Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи электростанций. Сбросное тепло ТЭЦ способно покрыть до 77 % потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей. Эта технология не требует жаркого пустынного климата.

В 2006 году несколько компаний объявили о строительстве заводов по производству биодизеля из водорослей:

– Global Green Solutions (Канада) по технологии компании Valcent Products (США) – мощность производства 4 млн. баррелей бионефти в год;

– Bio Fuel Systems (Испания);

– De Beers Fuel Limited (ЮАР) по технологии Greenfuel Technologies Corporation (США) – мощность производства 900 млн. галлонов биодизеля в год (водоросли + подсолнечное масло)

– Aquaflow Bionomic Corporation (Новая Зеландия) – мощность производства 1 млн. литров биодизеля в год.

8-1. Bодоросли – источник энергии и биотоплива., www. zaryad.com.

8-2. Хозяйственно полезные виды водорослей., www.volimo.ru.

8-3. Биодизель из водорослей: понятие водорослевой фермы., www. paskalex. blogspot.com.

8–4. Золотая" солярка из водорослей., www.economenergy.com.ua.

8-6. Израильские инновации в агротехнологии.,

www.theisraelproject.org.

8-7. Seambiotic Algae Into Biofuel a «Greener» Story In $10 Million Joint Israeli and Chinese Project. www.greenprophet.com.

8-8. Немного o биотопливах, ТОПЛИВО И ЭНЕРГИЯ., www.zelife.ru.

8-9. Использование потенциала очищенной воды городов для производства биотоплива., www.auto.gazeta.kz.

8-10. Альтернативное топливо: водорослями по кризису.,

www.segodnya.ua.

8-11. Эйхорния – корм, биотопливо и удобрение., www. pionerllc.ru.

8-12. Тонны водорослей отдают топливо в обмен на дым заводской трубы www.membrana.ru.

8-13. БИОТОПЛИВО ИЗ ВОДОРОСЛЕЙ – от большой нефти к большим водорослям., www.venture-biz.ru

8-14. Биоэнергетика → Золото Днепра., www.alternativenergy.ru.

8-15. Биоэнергетика → Водоросли Eucheuma в энергетике., www. alternativenergy.ru.

8-16. Водоросли – топливо будущего? www.3dnews.ru.

8-17. Широкомасштабное производство биодизеля из водорослей., www.fundconstellation.net.

8-18. Биотопливо – Википедия., ru.wikipedia.org.

8-19. Эйхорния – корм, биотопливо и удобрение., www. pionerllc.ru.

Глава 9. Оборудование для получения биотоплива

Рис. 9–1. Брикетировочный пресс для производства брикетов RUF 420 кг/час.[9–1].

Производство топливных брикетов стало возможным, когда появился специализированный пресс. Производство топливных брикетов возможно только при высоком давлении, под которым работает и сам пресс. Производство брикетов не оставляет после себя отходов. Топливным брикетом можно отопить не только завод и фабрику, но и маленький камин..

Рис. 9–2. Топочный брикет

Система брикетирования стала популярна в последние годы и активно развивается. Главным действующим лицом здесь является пресс RUF.[9–1].

Брикетировочный пресс для производства брикетов RUF 420 кг/час. Производитель Ruf GmbH & Co. KG. (Германия)

Назначение пресса: производство РУФ брикетов

/прямоугольные/

Тип пресса: гидравлический

Сырье: деревянные опилки, щепа, измельченные МДФ, бумага, торф и др.

Типы прессов марки RUF:

RUF-100 имеет производительность около 100–150 брикетов в час или 100–120 кг/час

RUF-200 имеет производительность 200–240 брикетов в час (порядка 200 кг/час

RUF-400 имеет производительность до 400–430 брикетов в час (350–400 кг/ч).

RUF-600 имеет производительность до 600–630 брикетов в час (500 кг/ч).

RUF-800 имеет производительность до 780 брикетов в час (700 кг/ч).

RUF-1100 имеет производительность до 600 брикетов в час или 900-1000 кг/ч

RUF-1500 имеет производительность до 440 брикетов в час или приблизительно 1150–1350 кг/ч

RUF LIGNUM Пресс РУФ-Лигнум имеет производительность до 500 брикетов в час (400 кг/ч).

Рис. 9–3. Внешний вид и основные габаритные размеры брикетного пресса RUF LIGNUM [9–2].

БРИКЕТНЫЙ ПРЕСС RUF LIGNUM Производитель компания «Завод Эко технологий», Россия.

Основные особенности:

Пресс готов к эксплуатации сразу после подключения к электросети и системе подачи материала.

Пресс и система электроавтоматики в стандартном исполнении спроектированы и изготовлены для эксплуатации при температуре окружающей среды от +5 °C до +40 °C. Использование пресса вне крытых помещений требует дополнительных опций, защищающих пресс от мороза и других неблагоприятных погодных условий.

Подача материала:

Загрузочный бункер, имеющий армированную конструкцию из стальных листов, с раскрывом 400 x 800 мм,

Объем бункера прибл. 150 литров,

Мешалка с приводным электродвигателем 0,55 кВт для предотвращения сводообразования в материале в бункере,

Загрузочный шнек с приводным электродвигателем 1,5 кВт,

Время загрузки материала регулируется программируемым контроллером автоматически,

Предварительное сжатие материала:

Вертикально расположенный гидравлический цилиндр.

Величина давления для камеры предварительного сжатия устанавливается оператором с панели управления ТР177В, в зависимости от материала.

Устройство контроля длины хода штока цилиндра, информация которого используется для автоматической регулировки времени загрузки материала, расположено вне камеры предварительного сжатия для защиты от пыли.

Основное сжатие материала:

Горизонтально расположенный главный гидравлический цилиндр.

Величина давления для главного цилиндра (до 300 бар) также устанавливается оператором с панели управления ТР177В, в зависимости от материала.

Диаметр цилиндра – 0250 мм, макс. сила давления 150 тонн (при 300 бар).

Производительность пресса:

В зависимости от установок – до 500 брикетов в час.

Размер брикета:

150 x 60 мм в сечении

Длина брикета 40 – 110 мм в зависимости от установок и вида/размера брикетируемого материала (примерный вес брикета 835 г при длине 85–95 мм)

Макс. удельное давление, прибл. 1700 кг/см² (при 300 бар).

Габаритные размеры / Вес:

Прибл. (Д х Ш х В) 2710 x 1800 x 2100 мм

Указанные размеры не учитывают необходимого рабочего пространства для обслуживания пресса составляющего 1000 ÷ 1500 мм.

Вес (без опций), прибл. 3270 кг

В развитых странах замена угольных или мазутных котлов централизованного теплоснабжения на древесносжигающие котлы снижает затраты потребителей тепла на 20–60 %, поскольку стоимость древесины ниже стоимости угля и мазута. В то же время, древесные котлы более экологичны. В процессе работы они выбрасывают в атмосферу то же количество углекислого газа, которое было поглощено деревьями в процессе роста. [9–3].

Малые древесные котлы часто используются для отопления домов. В Дании работает около 70 тысяч котлов, в которых сжигаются дрова, древесная щепа и гранулы. Такие котлы обеспечивают тепло для радиаторов так же, как мазутные котлы. Они отличаются от печей, которые обеспечивают теплом только ближайшее помещение. Древесный котел может обеспечивать теплом и горячей водой все здание. Для индивидуального (односемейного) дома установка ручного древесносжигающего котла является наилучшим решением. На более крупных объектах (фермы) экономия за счет использования древесины настолько значительна, что здесь имеет смысл устанавливать автоматические котлы, сжигающие гранулы. [9–3].

Многие древесные котлы малого размера загружаются дровами вручную. Обычно они снабжены бункером для хранения топлива. Ручные котлы для сжигания дров и автоматические котлы для щепы и древесных гранул различаются между собой. Ручные котлы снабжены бакомаккумулятором для накопления энергии, полученной при сжигании топлива. Автоматические котлы оборудованы емкостью для подачи щепы или гранул. Шнековый конвейер подает топливо в соответствии с необходимой тепловой нагрузкой здания.

За последние 10 лет большой прогресс достигнут в усовершенствовании обоих видов котлов с целью повышения эффективности и снижения эмиссии (пыль и монооксид углерода). Улучшения коснулись конструкции топочной камеры, воздухоподачи и автоматизации контроля процесса сгорания. Для ручных котлов эффективность увеличилась от 50 % до 75–90 %. Эффективность автоматических котлов выросла с 60 % до 85–92 %.

Несмотря на относительно простую конструкцию автоматических котлов, во многих из них достигается эффективность 80–90 % и уровень эмиссии СО около 100 ppm (100 ppm = 0,01 об. %). В некоторых котлах достигнуты параметры 92 % и 20 ppm. Важным условием для достижения таких хороших результатов является использование котла с полной нагрузкой. Для автоматических котлов важно, чтобы номинальный нагрузка котла не превышала потребности в тепле в зимний период. В переходный период (3–5 месяцев) весны и осени тепловая нагрузка обычно снижается до 20–40 % от номинальной. Это приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик. В течение летнего периода потребность в тепловой энергии снижается до 1–3 кВт на горячее водоснабжение. Это не превышает 5-10 % от номинальной нагрузки котла. В случае эксплуатации котла его КПД снижается на 20–30 %, а вредное воздействие на окружающую среду увеличивается. Альтернативой летней эксплуатации котла может быть установка комбинированной системы с баком-аккумулятором и солнечным коллектором. [9–3].

Рис. 9–4. Автоматический котел.