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

Биотопливо первого поколения производят из сахара, крахмала, растительного масла и животного жира, используя традиционные технологии. Основными источниками сырья являются семена или зерно. Например, семена подсолнечника прессуют для получения растительного масла, которое затем может быть изпользовано в биодизеле. Из пшеницы получают крахмал, после его сбраживания – биоэтанол. Вместе с тем из подсолнечника, пшеницы и других подобных культур можно произвести продукты питания, поэтому возникает конкуренция с жизненно важным для человечества сегментом рынка пищевым. Более того, производство биотоплива из подобных культур требует существенной финансовой поддержки государства и зачастую экономически невыгодно. Кроме того, многие экологи уверены, что при производстве данных видов биотоплива выбрасывается слишком много парниковых газов, что перекрывает экологическую выгоду от использования этих биотоплив.

К биотопливам второго поколения относятся все виды жидкого и газообразного биотоплива, которые производятся не из пищевых культур: древесины, шелухи, и другой биомассы – органических отходов растительного и животного происхождения. Лигноцеллюлозный этанол получают из гидролизатов целлюлозы, используя: нагревание паром, ферменты и другие предобработки. С помощью брожения из данных сахаров можно получить этанол таким же путем, как и биоэтанол первого поколения. Побочным продуктом этого процесса является лигнин, которой может быть сожжен как не влияющий на концентрацию углекислого газа в атмосфере для выработки тепла и энергии. Также лигноцеллюлозный этанол сокращает выбросы парниковых газов на 90 % по сравнению с ископаемой нефтью.

Совершенно новый видбиотопливо третьего поколения или водорослевое топливо изготовляется из водорослей. Водоросли – одновременно дешевое и высокопродуктивное сырье для получения жидкого биотоплива. Эксперты утверждают, что с одного акра водорослей можно произвести в 30 раз больше биотоплива, чем с акра любого наземного растения. Более того, жидкое биотопливо из водорослей может без труда заменить продукты из нефти без качественных потерь для пользователей и с улучшением экологической составляющей. Эксперты утверждают, что как только жидкое биотопливо из водорослей станет экономически рентабельным для производства в большим масштабах (а сейчас к этому приближаются), то нефтяное топливо уже будет неконкурентоспособным.[3-38]

Биотопливо (кроме биогаза [3-26]) пока дороже топлива, получаемого из углеводородных ископаемых. Но развитие технологий скоро изменит эту ситуацию, а экологические требования и задачи стимулирования агропрома делают это горючее интересным уже сегодня.[3-36]. Рассмотрим две главные статьи расхода энергоресурсов: производство электроэнергии и транспорт. Возобновляемые ресурсы второго поколения: отходы лесопереработки (термохимия и биотехнологии), торф (только ежегодный прирост), навоз (через биогаз), солома (через газификацию), твердые бытовые отходы (биогаз и газификация) могут дать около 12.6 трлн. кВт ч/год электроэнергии. Если к этому добавить потенциальный ресурс мискантуса (слоновьей травы (Miscanthus Giganteus), выращиваемого на площади 200 млн. га (Это ок. 20 % мирового резерва пахотно пригодных земель, который сейчас по самой скромной оценке составляет 1 млрд. гектар), то можно получить в сумме приблизительно 29.4 трлн. кВт ч/год электроэнергии. Сейчас уровень потребления электроэнергии в мире приближается к отметке 56 трлн. кВт ч/год в том числе за счет сжигания ископаемого топлива примерно 4.8 млрд. ту.т. (37.5 трлн. кВт ч/год) образом, потенциал биоэнергоресурсов второго поколения позволяет сократить почти на 80 % использование ископаемого топлива, а главное, полностью исключить сжигание нефтепродуктов для производства электроэнергии. [3-39] Глава 3.5. Как обстоят дела с транспортом? Сейчас мировое потребление нефтепродуктов на транспортные нужды составляет около 4.1 млрд. ту.т. Если использовать ещё 40 % мирового резерва земли для выращивания двух культур: топинамбура в качестве сырья для производства биоэтанола, и ятрофы (Jatropha) – сырья для получения биодизеля, то можно получить транспортное топливо эквивалентом примерно 1.7 млрд. ту.т. сократив на 40 % использование ископаемых углеводородов на транспорт.[3-39].

Таким образом, потенциал биоэнергоресурсов второго поколения, наряду с решением важнейшей экологической проблемы, позволяет вернуться к производству продовольствия из кукурузы, пшеницы, сахарного тростника, сои, рапса и пр. Дополнительные возможности связаны с технологией биоконверсии отходов животноводства и растениеводства в биогаз, позволяющей, наряду с энергоносителем, получить еще один весьма важный продукт – высокоэффективное, экологически безопасное органическое удобрение. Это удобрение обеспечивает увеличение урожайности различных культур не менее чем в 2 раза, повышая при этом устойчивость растений к неблагоприятным воздействиям среды, особенно к засухе. Переработка одного только навоза, помимо 0.41 млрд. ту.т. электроэнергии, позволит получить 14 млрд. тонн этого ценнейшего удобрения. По самым скромным подсчетам применение удобрения увеличит производство продовольствия в мире на 50 %. [3-39].

Одним из главных преимуществ биотоплив называют сокращение выбрсов парниковых газов. Это, однако, не означает, что при сгорании биотоплив образуется меньше диоксида углерода (хотя и такое возможно). При сгорании биотоплива в атмосферу возвращается углерод, который ранее поглотили растения, поэтому углеродный баланс планеты остаётся неизменным. Ископаемые топлива – совсем другое дело: углерод в их составе миллионы лет оставался «за консервированным» в земных недрах. Когда он попадает в атмосферу, концентрация углекислого газа повышается. В том, что касается вредных выбросов, биотоплива несколько выигрывают у нефтяных. Большинство исследований показывают, что биотоплива обеспечивают снижение выбросов моноксида углерода и углеводородов. Кроме того, биотоплива практически не содержат серы. Вместе с тем, несколько увеличивается выброс оксидов азота, вдобавок, при неполном сгорании многих биотоплив в атмосферу попадают альдегиды. Но, в целом, по уровню вредных выхлопов биотоплива выигрывают у нефтяных.

К твердому биотопливу относятся: пеллеты и гранулы из древесины, торфа, соломы, стеблей, древесная щепа, дрова, древесный уголь, торфяные брикеты.

Твердые энергоносители биологического происхождения (главным образом навоз, отходы древесина, торф) брикетируют, сушат и сжигают в каминах жилых домов и топках тепловых электростанций, вырабатывая дешевое электричество для бытовых и производственных нужд. Отходы древесины с минимальной степенью подготовки к сжиганию (опилки, кора, шелуха, солома и т. д.) прессуют в топливные брикеты или пеллеты, которые имеют форму цилиндрических или сферических гранул диаметром 8-23 мм и длину 10–30 мм.[3-41].

В стадии опытно-промышленной эксплуатации находятся электростанции, для которых организовано выращивание «энергетических лесов», т. е. работающие на сжигании в котлах древесины. Широко используются отходы лесопереработки и лесозаготовок, а также энергетического торфа для производства тепловой и электрической энергии (страны Скандинавии), как при прямом сжигании биомассы, так и через ее газификацию с последующим сжиганием генераторного газа[3-42].

Дрова – древнейшее топливо, используемое человечеством. После того как, в соответствии с греческим мифом, Прометей похитил у богов огонь и дал его людям, биотопливо согревало пещеры, в которых жили наши древние предки, на огне они готовили пищу. И сегодня древесина служит основным топливом в очагах двух миллиардов жителей бедных стран и горит в каминах состоятельной части общества.

В настоящее время для производства дров или биомассы выращивают энергетические леса, состоящие из быстрооборачиваемых растений. Из-за значительного роста цен на нефть население африканских стран сокращает потребление нефтяных топлив, увеличивает использование дров, что приводит к уничтожению лесов. [3-37].

Например, Кения сократила потребление керосина для бытовых нужд с 389 тысяч тонн в 2005 году до 329 тысяч тонн в 2007. Энергоносители биологического происхождения (главным образом навоз и т. п.) брикетируются, сушатся и сжигаются в каминах жилых домов и топках тепловых электростанций, вырабатывая дешёвое электричество, используемое в бытовых и производственных нуждах. В последнее время разработаны методы непосредственного получения электричества с помощью специальных бактерий при сбраживании биологических отходов.

Древесные отходы прессуют в пеллеты, которые имеют форму цилиндрических или сферических гранул диаметром 8 – 23 мм и длиной 10 – 30 мм. Также кроме пеллет отходы прессуют в топливные брикеты. Отходы биологического происхождения – необработанные или с минимальной степенью подготовки к сжиганию: опилки, щепа, кора, лузга, шелуха, солома и т. д. [3-37].

Сжигание древесины – экологичный вариант энергетики с «нулевыми» выбросами: в атмосферу выделяется столько диоксида углерода, сколько его было усвоено растениями при накоплении фитомассы. Часто также: Топливный торф, твердые бытовые отходы и т. д.

Рис. 3–3. Внешний вид древесных гранул.

Гранулы делаются из отходов (опилок и стружек) и используются в широких масштабах в системах централизованного теплоснабжения. Они производятся прессованием и имеют 1–3 см в длину и около 1 см в диаметре. Они чистые, обладают хорошим запахом и приятные на ощупь. Гранулы имеют низкую влажность (менее 10 %) и высокую теплотворную способность по сравнению с другими видами древесного топлива. После прессования уменьшается объем, в результате увеличивается количество энергии в единице объема (энергетическая плотность). При сжигании гранул процесс обладает большей эффективностью и образуется малое количество остатка.

Рис. 3–4. Большой котел (2.5 МВт) для сжигания гранул и щепы, используемый в системах централизованного теплоснабжения.

Существуют различные виды гранул. Некоторые производители используют связующие вещества для того, чтобы продлить продолжительность существования гранул. Связующие вещества часто содержат фосфор, который попадает в дымовые газы при сжигании. Соединения фосфора участвуют в образовании кислотных дождей и увеличивают коррозию дымохода. Поэтому лучше использовать гранулы без связующих веществ. [3-43]

Параметры древесных пеллет-гранул: Диаметр: 5 – 8 мм Длина: макс. 30 мм Плотность: мин. 650 кг/м³ Влажность: макс. 8 % веса Теплотворная способность: 4,5 – 5,2 кВт-ч/кг 2 кг гранул = 1 литр мазута

Существует много преимуществ использования древесных пеллет-гранул в качестве топлива. Гранулы и пеллеты могут быть получены из древесных отходов. Сжигание гранул помогает избавиться от отходов деревообрабатывающей и мебельной промышленности. В гранулах обычно отсутствуют добавки для улучшения процесса горения. При сжигании гранул не образуется дым. Использование этого вида топлива уменьшает потребность в ископаемом топливе, сжигание которого приносит вред окружающей среде. [3-43]. Стоимость древесных гранул может зависеть от места получения и времени года.

Гранулы могут использоваться в различных типах зданий – гостиницах, ресторанах, магазинах, офисах, больницах и школах. До недавнего времени гранулы использовались в 500 тыс. домов в Северной Америке. [3-43].

Рис. 3–5. Внешний вид щепы древесной.

Древесная щепа получается из отходов лесной древесины. Древостой должен прореживаться при выращивании деловой древесины (для производства балок, досок и мебельных заготовок). Таким образом, щепа является результатом обычной эксплуатации лесного хозяйства. Древесина измельчается в специальных рубительных машинах (чипперах). Размер и вид щепы зависит от конкретной машины, однако типичная щепа имеет от 2 до 5 см в длину и 1 см в толщину. Влажность свежей щепы составляет около 50 % (весовых) и значительно уменьшается в процессе сушки. Во многих странах, например, Дании, щепа производится для сжигания на станциях централизованного теплоснабжения. Щепа обычно доставляется автомобильным транспортом, поэтому станции ЦТ, оборудованные автоматическими котлами, должны иметь крытые хранилища объемом не менее 20 м³. [3-43].

Рис. 3–6. Рубильная машина [3-43]

Рис. 3–7. Древесные брикеты

В табл. 3–1 представлены сравнительные данные по разным видам топлива для односемейного дома площадью 150 м² (тепловая нагрузка 12 кВт) в Австрии. [3-43].

Таблица. 3-1

Сравнительные данные по разным видам топлива для односемейного дома площадью 150 м².

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. [3-44]

Если занять посадками 1 млн. га Мирового Земельного Ресурса (МЗР), потенциальный выход электроэнергии составит 21,5 млрд. кВт. ч. Торф. Ежегодный прирост запасов торфа в мире ок. 500 млн. тонн – это ресурс для производства 14.5 ЭДж электроэнергии в год.

Слоновья трава, Miscanthus giganteus.

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, потенциальный выход электроэнергии составит 180 млрд. кВт.ч

Свалочный газ из твердых бытовых отходов (ТБО) Количество ТБО на планете – более 1 млрд… тонн в год. Эмиссия метана достигает уровня 70 млн. т/год. Технология газификации твердых бытовых и промышленных отходов (ТБПО) позволяет получать из 1 т ТБПО 2,23 МВт электроэнергии.

Биоэтанол – получают переработкой растительного сырья и используют как биотопливо. Существует 2 основных способа получения этанола – микробио-логический (спиртовое брожение) и синтетический (гидратация этилена). Следствием брожения является раствор, содержащий не более 15 % этанола. В промышленных масштабах этиловый спирт получают из сырья, содержащего крахмал/целлюлозу (древесина, солома), которую предварительно гидролизуют. Смесь, образовавшаяся при этом, подвергают спиртовом брожению. [3-45].

Производство жидкого биотоплива в мире возросло с 16 млрд. л в 2000 году до 100 млрд. л в 2010 году. Сегодня жидкое биотопливо составляют около 3 % всего топлива для транспорта. В Бразилии в 2008 году доля использования биотоплива в транспортной сфере составила около 21 %, в США – 4 %, в ЕС – 3 %.

По оценкам МЭА к 2050 году доля биотоплива в транспортной сфере может увеличиться до 750 млн. т. н. э. (по сравнению с текущим уровнем в 55 млн. т. н. э.) и составить 27 % всего транспортного топлива, позволяя уменьшить объемы выбросов транспорта на 20 % и сократить мировую зависимость от ископаемых видов топлива[3-42].

Потенциальный выход биоэтанола из соломы ок. 300 млн. т/год.

Топинамбур Урожай: клубни – 30 т/га, зеленая масса – 40 т/га Выход этанола из клубней 100 л/т, из зел. массы – 70 л/т

Этанол по сравнению с бензином является менее «энергонасыщенным» источником энергии. Пробег машин, работающих на Е85 (смесь 85 % этанола и 15 % бензина; буква «Е» от английского Ethanol), на единицу объема топлива составляет около 75 % от пробега стандартных машин… [3-45]. Серьезным недостатком биоэтанола является то, что при сгорании этанола в выхлопных газах двигателей появляются альдегиды (формальдегид и ацетальдегид), которые наносят живым организмам не меньший ущерб, чем ароматические углеводороды.

Солома (пшеницы, риса, ржи) мировое производство 1255 млн. т/год 1 т соломы дает 250 л биоэтанола. В мире биоэтанол получают, в основном, из злаковых культур, кукурузы, сахарного тростника и сахарной свеклы. Из всего произведенного этанола 80 % имеет топливное применение, 12 % – техническое и 8 % – пищевое. В 2009 году производство этанола в мире составило 76 млрд. литров (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, Бразилия и ЕС. При этом на долю США (40,1 млрд. литров – 54 %) и Бразилии (24,9 млрд. литров – 34 %) пришлось около 88 % мирового производства этанола. Общее производства этанола странами ЕС составило 3,7 млрд. литров (5 % мирового производства). Юго-восточная Азия, особенно Китай, Таиланд и Индия в ближайшие годы представляют один из самых больших потенциалов в мире – 2,8 млрд. литров (3,8 % мирового производства). Китай в 2009 г. произвел 2 млрд. литров этанола (2,7 % мирового производства) и занял 4 строчку мирового рейтинга. Также производство этанола развито в Канаде (1,8 %), Таиланде (0,5 %), Индии (0,5 %), Колумбии (0,4 %), Австралии (0,2 %).

Международное энергетическое агентство (МЭА) оценивает мировое замещение этанолом более 1 млн. баррелей нефтяного спроса в день.[3-42].

Вид жидкого биотоплива на основе метилового (древесного) спирта, получаемого путем сухой перегонки отходов древесины и конверсией метана из биогаза. Производство биомассы может осуществляться путем культивирования фитопланктона в искусственных водоемах, создаваемых на морском побережье. Вторичные процессы представляют собой метановое брожение биомассы и последующее гидроксилирование метана с получением метанола. [3-45].

Несмотря на высокое октановое число – более 100, теплотворная способность метанола вдвое меньше, чем у бензина. Это, а также недостаточная летучесть чистого спирта, объясняет необходимость смешивания метанола с бензином. Стандартом является биометанол М85 (буква «М» от англ. Methanol), содержащий 85 % метилового спирта и 15 % бензина.

Биометанол М85 не получил распространение как вследствие низкого энергосодержание, так и через исключительную коррозионную активность метанола, которая требует применения специальных материалов.

С точки зрения получения энергии данная биосистема имеет существенные экономические преимущества по сравнению с другими способами преобразования солнечной энергии. [3-45].

C₄H₁₀O – бутиловый спирт. Бесцветная жидкость с характерным запахом. Широко используется в промышленности. Производство бутанола началось в начале XX века. В 50-х годах из-за падения цен на нефть бутанол начали изготовлять из нефтепродуктов. [3-45].

Бутанол не обладает коррозионными свойствами, может передаваться существующей инфраструктурой. Может, но не обязательно должен, смешиваться с традиционным топливом. Энергоемкость бутанола близка к энергоемкости бензина. Бутанол может использоваться в топливных элементах, а также как сырье для производства водорода.

Сырьем для производства биобутанола могут быть сахарный тростник, свекла, кукуруза, пшеница, а в будущем и целлюлоза.

C₂H₆O может производиться как из угля, природного газа, так и из биомассы. Большое количество диметилового эфира производится из отходов целлюлозно-бумажного производства. Сжижается при небольшом давлении. [3-45]. ДМЭ – экологически чистое топливо без содержания серы, содержание оксидов азота в выхлопных газах на 90 % меньше, чем в бензине. Применение диметилового эфира не требует специальных фильтров, но необходима переделка систем питания (установка газобаллонного оборудования, корректировка смесеобразования) и зажигания двигателя. Без переработки возможно применение на автомобилях с LPG-двигателями при 30 % содержании в топливе.

Топливо на основе жиров животного, растительного и микробного происхождения, а также продуктов их этерификации. [3-45]. Для получения биодизельного топлива используются растительные или животные жиры. Сырьем могут быть рапсовое, соевое, пальмовое, кокосовое масло, или любое другое масло-сырец, а также отходы пищевой промышленности. Разрабатываются технологии производства биодизеля из водорослей.

Биодизельное топливо – это экологически чистый вид топлива, альтернативный по отношению к минеральным видам, получаемый из растительных масел, и используемый для замены (экономии) обычного дизельного топлива, это полностью сгорающее альтернативное топливо, которое производится из растительных материалов или биомассы, такой как сахарный тростник или пальмовое масло. Оно может использоваться в дизельных двигателях или смешиваться с обычным дизельным топливом. Сырьем для производства биодизеля могут быть различные растительные масла: рапсовое. Соевое, арахисовое, пальмовое, отработанные подсолнечное и оливковое масла (использованные, например, при приготовлении пищи), а также животные жиры. С химической точки зрения биодизель представляет собой метиловый эфир. При его производстве, в процессе этерификации, масла и жиры вступают в реакцию с метиловым спиртом и гидроксидом натрия, служащим катализатором, в результате чего образуются жирные кислоты, а также побочные продукты: глицерин и другие. [46]. Биодизель может использоваться в обычных двигателях внутреннего сгорания, как самостоятельно, так и в смеси с обычным дизтопливом, без внесения изменений в конструкцию двигателя.

Обладая примерно одинаковым с минеральным дизельным топливом энергетическим потенциалом, биодизель имеет ряд существенных преимуществ:

• он не токсичен, практически не содержит серы и канцерогенного бензола;

• разлагается в естественных условиях (примерно так же, как сахар);

• обеспечивает значительное снижение вредных выбросов в атмосферу при сжигании, как в двигателях внутреннего сгорания, так и в технологических агрегатах;

• увеличивает октановое число топлива и его смазывающую способность, что существенно увеличивает ресурс двигателя;

• имеет высокую температуру воспламенения (более 100 °C), что делает его использование относительно безопасным;

• его источником являются возобновляемые ресурсы; производство биодизеля легко организовать, в т. ч. в условиях небольшого фермерского хозяйства, при этом используется недорогое оборудование.

По прогнозу Международного Энергетического Агентства, к 2020 году мировое производство биотоплива, как минимум, учетверится и достигнет 120 миллиардов литров в год. К 2010 году мировой автопром выпустит, как минимум, 2 млн. единиц автомобилей, способных работать на спирте и биодизельном топливе.[3-46].