1.1. Биоэнергетика – самостоятельный сегмент мировой энергетики

Сжигая уголь, практически сжигают только углерод [1-45]. При сжигании нефти на каждый атом углерода приходится два атома водорода, т. е. на каждый потребленный атом углерода нефти выделяется вдвое больше энергии, чем при сжигании угля. А это значит, что при полной замене нефти или газа на уголь его необходимо будет сжигать вдвое больше, что приведет к резкому увеличению углекислого газа в атмосфере. В 1958 г. количество углекислого газа в атмосфере составило 315 млн. т, а в 1980 г. 338 млн. т, т. е. увеличилось за 22 года на 7 %, тогда как в 1880 г. эта цифра составляла 290 млн. т, или за 100 лет концентрация CO2 в атмосфере увеличилась всего на 15 %. Таким образом, темпы роста концентрации CO2 в атмосфере с каждым годом увеличиваются, что приводит к усилению «парникового эффекта» и повышению температуры на земном шаре.

Температура атмосферы Земли увеличивается не только за счет усиления "парникового эффекта", но, как впервые указал на это лауреат Нобелевской премии, един из создателей отечественной атомной энергетики, создатель теории цепных реакций академик Н. Н. Семенов, и благодаря постоянно увеличивающемуся тепловому загрязнению.

Постоянное сжигание в огромных количествах ископаемых топлив или создание других мощных топливных носителей приводит к постоянному выбросу тепла в биосферу. Сегодня человечество за счет различных источников энергий производит до 5 1019 кал тепла в год, что составляет 1/20 000 часть падающей солнечной энергии на Землю или 1/5000 солнечной энергии, поглощаемой массой Земли. В среднем производство энергии увеличивается на 5 % в год. При таких темпах через 200 лет человечество будет производить столько же тепла, сколько дает Солнце, что скажется на изменении теплового баланса Земли. [1–2]

Рис. 1–1. Н.Н. Семенов. 1896–1986 гг.

Перегрев Земли на 3–4 °C может привести к серьезным негативным последствиям.

Какой же вывод следует из всего вышесказанного?

Существующим технологиям производства энергии необходимо противопоставить технологии, основанные на использования экологически чистой энергии, при сохранении круглогодичного баланса СО2 в атмосфере и при минимальном тепловом загрязнении атмосферы.

В качестве таких основных источников энергии на Земле в будущем следует рассматривать, с одной стороны, ядерную, получаемую как в результате деления тяжелых ядер, так и синтеза легких, с другой – солнечную энергию [1–3].

Благодаря прямому использованию различных форм солнечной энергии (солнечного тепла и фотоэлектрического эффекта, энергии ветра и процесса фотосинтеза) можно избежать теплового загрязнения, твердых и газообразных выбросов в атмосферу, и существенно уменьшать потребление ископаемых топлив [1–4].

Преимущества использования солнечной энергии очевидны:

Во-первых, исключается тепловое загрязнение среды, потому что не выделяется дополнительная тепловая энергия. Единственным источником тепловой энергии служит Солнце.

Во-вторых, при использовании солнечной энергии исключается возникновение побочных продуктов и отходов. Использование солнечной энергий доступно повсеместно, что позволяет лучше использовать природную среду.

Ветровая энергия – производная солнечной энергии – также не загрязняет окружающую среду.

И наконец, продукт фотосинтеза – биомасса, конвертирование которой в топливо возможно несколькими путями, причем, некоторые из них самым тесным образом связаны с охраной окружающей среды.

Все перечисленные модификации солнечной энергии и ее производные не ограничены во времени и будут действовать, пока светит Солнце.

Очень тесно с проблемами современной энергетики смыкается другая стоящая сегодня перед человечеством проблема – это охрана окружающей среды. Успехи современной науки и техники достаточно наглядно демонстрируют, что эти две проблемы могут решаться одновременно. Речь идет о разработке научных методов и технологий получения энергии и топлива при одновременном решении вопросов, связанных с охраной окружающей среды из-за непрерывно поступающих в биосферу органических загрязнений.

Поэтому интенсивное и рациональное использование человечеством падающей на Землю экологически чистой солнечной энергии является одним из перспективных магистральных путей получения необходимой энергии и топлива. Важное место принадлежит биологический методам конверсии, При фотосинтезе энергия Солнца конвертируется а энергию химических связей органических веществ, соединяемых общим термином "биомасса". Термин "биомасса" охватывает все виды веществ растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности человека и животных, органические отходы перерабатывающей промышленности и сельского хозяйства.

Скрытую химическую энергию можно с помощью ряда биологических или термо-химиических процессов превратить в удобные для использования виды топлива или энергии. [1-45].

Топливно-энергетический комплекс России играет важную роль в экономике страны. На ее территории сосредоточено 1/3 мировых запасов природного газа, 1/10 нефти, 1/5 угля и 14 % урана. [1–1]. Через семь лет (2020 г.) добыча нефти в России может откатиться к уровню 2004 года, прогнозируют эксперты «Российской Газеты». Если в 2012 году уровень добычи нефти составил 518 миллионов тонн, то через пять-семь лет этот показатель может сократиться до 420–450 миллионов тонн. И это намного ниже, чем официальный прогноз [1-46]. Современные проблемы энергетики могут быть решены только при рациональном использовании всех существующих на Земле и околоземном пространстве источников топлива и энергии [1-45].

Биоэнергетика – фундаментальное и прикладное направление возникло на границе современных биотехнологий, химической технологии и энергетики, изучает и разрабатывает пути биологической конверсии солнечной энергии в топливо и биомассу и биологическую и термохимическую трансформацию последней в топливо и энергию[1-45].

Внедрение в народное хозяйство достижений биоэнергетических технологий прежде всего зависит от решения задач, связанных с интенсификацией процессов конверсии органического сырья в топливо и крупномасштабным производством самой биомассы.

Только при серьезном фундаментальном исследовании можно создать высокоэффективную отрасль народного хозяйства, отвечавшую воем требованиям современного научно-технического прогресса [1-45].

Почти треть населения Земли (около 2 млрд. чел.) все еще использует биомассу в виде древесины как основной источник топлива.

В любой форме биомасса является возобновляемым, единственным доступным, простым и дешевым источником энергии для большинства сельских жителей планеты. В Эфиопии, Непале, Танзании, в Сибири и Амазонии, в Северной Канаде и на островах Полинезии, Микронезии, в Малайзии благодаря биомассе удовлетворяется 80–90 % потребностей в топливе. Даже в таких развитых странах, как США, Швеция, Норвегия, Канада, доля энергии, получаемой из биомассы, в общем объеме энергии составляет 4-10 %.

Благодаря незаурядному потенциалу, сжатым срокам окупаемости проектов, экологическим преимуществам биомасса, вероятно, является одним из приоритетных видов среди других возобновляемых источников энергии в большинстве стран. В конце XX в. общий объем мировых первичных энергоресурсов составил около 8,5 млрд. т., из которых примерно 7 млрд. т. приходится на долю ископаемого органического топлива. Совокупно, энергетический потенциал всей растительности нашей планеты составляет около 70 млрд. т., т. е. в 10 раз превышает использование ископаемого топлива. Доля древесины, которую используют для получения энергии, составляет: в Дании – 61 % от общего объема вывозимой из лесов древесины, во Франции – 56 %, Испании – 44 %, Швейцарии – 56 %. В среднем в Европе темпы ее использования растут на 7,3 % ежегодно (в Швеции – 10,2 % в год, в Дании – 9,2 %, Франции – 8,9 %, Испании – 7,7 %).

Таблица. 1–1

Мировые запасы и добыча нефти и газа. Прогноз потребления к 2009 и 2050 гг.

Таблица.1-2

Запасы нефти [1-47]

Сейчас биомасса покрывает в среднем 15 % общего потребления первичных энергоресурсов в мире: в развивающихся странах – 48 %, в промышленно развитых странах – в среднем 2–3% (США – 3,2 %; Дания – 6 %; Австрия – 12 %; Швеция – 18 %; Финляндия – 23 %).

По оценке экспертов ООН численность населения планеты к 2050 г. может увеличиться до 9.2 млрд. человек. Если к этому времени потребление моторных топлив и природного газа на душу населения всей планетой возрастет до современного уровня Европейского Союза, то в год придется добывать до 18.3 млрд. тонн нефти или 16 % от разведанных к настоящему времени запасов, а природного газа – до 12 трлн. куб. м или 6.7 % от разведанных запасов. То есть нефти хватит на 6-10 лет, газа на 15–20 лет. (Таблица 1)

Хотя как показали исследования автора, нефти и газа может быть в десятки раз больше, чем разведано. Причина этому: несовершенство технологий нефте– и газоразведки, большие глубины залегания, отсутствие соответствующего оборудования.[2]. Такого же мнения придерживается ряд российских экспертов.

В статье «Кризис изобилия» Алексей Михайлов – эксперт Центра экономических и политических исследований (ЭПИцентр), отмечает, что «… объем энергоносителей-углеводородов ограничен, рано или поздно, если его сжигать, то он кончится. Но это только кажущаяся очевидность.[1-48].

Во-первых, разведанных запасов углеводородов при нынешних объемах добычи хватит: нефти и газа – на 50 лет, угля – на 500. А за эти 50/500 лет будут разведаны новые запасы… Из этой кастрюли, которую природа готовила нам сотни миллионов лет, еще черпать и черпать. Впереди шельфы, глубинное бурение, сланцы…

Мы за один нефтяной век только пенку сверху сняли.

Во-вторых, как это ни парадоксально, но именно вопрос с энергией самый легко решаемый.

Энергия универсальна, ее добывать можно почти из всего и передавать на расстояние не очень сложно и дорого. А Земля – принципиально разомкнутая система, она получает колоссальное количество энергии от Солнца, а кое-что – и от Луны. И напрямую – в виде тепла и света, и опосредованно – в виде ветра, текущей воды, приливов и т. д. И люди столетиями использовали эту энергию (например, ветряные и водяные мельницы).

Полный отказ от ископаемых источников энергии (ИИЭ, сегодня они дают 85 % мирового энергопотребления) и переход на возобновляемые (ВИЭ) – это вопрос не какого-то отдаленного футуристического будущего. Есть расчеты, что уже к 2030 году можно перевести 100 % мировой энергетики с ископаемого топлива на ВИЭ – ветер, вода и солнце. 50 % мировой энергетики будут давать 4 млн. ветротурбин.

В 2009 году в США свыше 50 % новых энергетических мощностей было создано за счет возобновляемых источников. В 2009 году инвестиции в новые возобновляемые источники энергии в мире превысили $150 млрд. Переход на возобновляемые источники энергии – это совершенно практический вопрос, отработанный технологически и связанный сегодня только экономическими ограничениями.

Как только ИИЭ станут достаточно дороги – переход произойдет автоматически. Он уже идет, несмотря на то, что пока еще ВИЭ недостаточно рентабельны и очень капиталоемки.

Совершенно прав был министр нефтяной промышленности Саудовской Аравии Заки Ямани еще в 70-е годы сказавший: «Каменный век закончился не потому, что в мире кончились камни. Также и нефтяной век закончится не потому, что у нас кончится нефть». Энергетический голод Земле не грозит. [1-48].

За последние 20 лет уровень добычи нефти в Штатах снизился: так, в 1972 г. он составлял 528 млн. т, в 1995 г. – 368 млн. т, а в 2000 г. – только 350 млн. т, что является следствием возросшей конкуренции между американскими производителями и импортерами более дешевой зарубежной нефти.

Из потребляемых 23 млн. б/с (1040 млн. т/год) в США добывается только 8 млн. б/с, а остальная часть импортируется – 680 млн. т/год. При этом США по-прежнему занимают второе место в мире по объему добываемой нефти (после Саудовской Аравии). Доказанные запасы нефти США составляют около 4 млрд. тонн (3 % от мировых запасов).[1-49].

В декабре 2012 г. чистый импорт нефти в США сократился до 5,98 млн. барр. в сутки (270 млн. т/год) – это самое низкое значение с февраля 1992 года. Чистый импорт нефти в Китай в декабре вырос до 6,12 млн. бар в сутки (277 млн. т/год), согласно данным таможни Китая. В 2012 году Китай увеличил импорт нефти на 6,8 % – до 271 млн. тонн – по сравнению с предыдущим годом.

Сейчас Россия является третьим по величине поставщиком сырой нефти в КНР и уступает по этому показателю только Саудовской Аравии и Анголе. Стремительное развитие китайской экономики неизбежно ведет к увеличению спроса на энергоносители. К 2015 г., полагают эксперты, спрос Китая на нефть может возрасти до 540 млн. тонн в год.[1-50].

Биоэнергетика считается основной тенденцией развития топливного рынка. Ожидается, что она в ближайшие 30–40 лет станет доминирующей в развитии мировой системы энергообеспечения. В связи с приближающейся угрозой истощения мировых запасов углеводородов в качестве основной тенденции развития топливного рынка международным экспертным сообществом заявлена биоэнергетика, которая должна стать фундаментом для начала новой эры энергетики. В ближайшие 30–40 лет именно биоэнергетика станет доминирующей в развитии мировой системы энергообеспечения.

Таблица. 1-3

Мировые запасы и добыча нефти и газа. Прогноз потребления нефти Китаем, Индией и Индонезией к 2020 – 2040 г.г.

Таблица. 1-4

Десять стран – лидеры, импортирующие нефть (млрд. баррелей 2006 г.).

[1-51].

Таблица. 1-5

Десять стран – обладатели крупнейшими доказанными запасами нефти (млрд. баррелей, 2006 г.)

Во второй половине ХХ века мир столкнулся с новой для себя экологической проблемой, которая может принять угрожающие формы. Это выбросы CO2 в атмосферу Земли. Они составляют до 8 млрд. т ежегодно, из них экосистемы Земли способны поглотить лишь половину. Остальное накапливается в атмосфере и последствия этого пока не ясны. Однако очевидно, что столь грубое вмешательство в сложившуюся экосистему, когда нарушается экологическое равновесие, не останется безнаказанным для человечества.

В 1997 году 105 государств подписали в г. Киото протокол, направленный на уменьшение выбросов в атмосферу избыточного углекислого газа, образующегося при сжигании нефти, угля, ископаемого газа, а также продуктов их переработки.

Моторные топлива при сгорании вносят существенный вклад в нарушение баланса углекислого газа в атмосфере. Использование в составе моторных топлив компонентов, произведенных из возобновляемого сырья [1–1] и в первую очередь оксигенатов [1-2– 1–4] позволяет уменьшить его вредное воздействие на окружающую среду.

В 2003 году Европейская комиссия предложила директиву [1–5], которая поощряет государства, являющиеся членами Европейского Союза (ЕС), широко применять биокомпоненты в моторном топливе. В 2010 году планировалось довести содержание биокомпонентов в моторном топливе, поступающем на рынок ЕС, до 6,75 %.

Существующий парк автомобилей и транспортных средств, в которых используются стандартные двигатели, не позволит в ближайшее время начать применять моторные топлива, полностью состоящие из биокомпонентов, т. е. очевидно, что вырастет роль смесевых моторных топлив, часть которых будет изготовлена из нефти, а часть из возобновляемого сырья.

Использование не нефтяного сырья не только расширяет ресурсы топлив, но часто позволяет улучшить их экологические характеристики.

В качестве биотоплив наиболее широкое распространение получили биоэтанол и биодизель. [1-52].

Современное мировое сообщество стоит перед необходимостью решения нескольких глобальных проблем с целью создания в ближайшие десятилетия для каждого члена общества независимо от места его обитания достойных комфортных условий жизни и трудовой деятельности.

Особое место среди этих проблем занимают:

Экология. Каждый житель планеты имеет право на максимально полную экологическую безопасность, то есть быть обеспеченным чистой атмосферой (без вредных химических и тепловых выбросов), чистой водой (без различных вредных стоков) и чистой землей для получения экологически чистого полноценного и естественного продовольствия.

Необходимо:

• сохранить баланс диоксида углерода в кругообороте углерода в биосфере без излишних выбросов СО2 и других парниковых газов (Метана) в атмосферу для недопущения теплового перегрева Земли.

• создавать такие производственные технологии в промышленности и сельском хозяйстве, которые бы минимизировали количество сточных вод и других отходов, и, в идеале, вели бы к созданию безотходных технологий.

2. Энергетика. Решение задач, поставленных в п.1 потребует резкого увеличения производства энергии. По мнению академика Е. Велихова в ближайшие 2–3 десятилетия потребление и, соответственно, производство энергии возрастет на 60 % от его мирового производства и потребления в начале 21 века. Увеличение производства энергии должно проходить на фоне создания экологически чистых энерготехнологий, повышения к. п. д. используемых топлив, создания новых постоянно возобновляемых источников топлива и энергии, полного перевооружения промышленности и сельскохозяйственного производства на энергосберегающее оборудование, машины и технологии.

3. Агрохимия и сельскохозяйственное производство. Обеспечение мирового сообщества экологически чистым продовольствием в соответствии с принятыми научно обоснованными нормами потребует:

• повышения урожайности всех без исключения основных продовольственных культур;

• повышения плодородия почв;

• постепенного повышения экологической чистоты почв;

• максимального перехода на применение экологически чистых высокоэффективных органических удобрений при минимальном использовании сбалансированных по каждому региону и почвам минеральных удобрений.

4. Решение социальных проблем. Экологическая безопасность и более высокая энерговооруженность человека должна привести к решению сложнейших социальных проблем (как в странах постиндустриального общества, так и в развивающихся странах):

• улучшение условий быта и труда;

• снижение смертности и доведение детской смертности до минимума;

• снижение заболеваемости;

• повышение продолжительности физиологической и умственной активной жизни.

Решение всех вышеперечисленных проблем и задач, поставленных мировым сообществом, тесно связано с энергичным развитием одного из современных направлений глобальной энергетики – биоэнергетики.

Биоэнергетика – или использование фотосинтезированной биомассы и продуктов ее технической и физиологической переработки и потребления – сопровождала и сопровождает человека в течение всей его эволюции. Именно биомасса и, в частности, ее сжигание и получение тепла, первый и важный шаг в эволюция и развитии homo sapiens.

Многие виды биоэнергетики известны человеку давно: сжигание дров, производство биогаза, производство древесного дегтя и древесного угля, производство спирта (вина).

Задачи современной науки и техники:

• превратить эти древние виды биоэнергетики в более энергоэффективные и рентабельные;

• создавать новые биоэнергетические технологии;

• получить новые виды биосырья для получения топлива и энергии;

• создавать новые энерготехнологии, сочетающие рациональное использование традиционных видов топлива и энергии с применением различных типов биомассы для производства экологически чистых видов тепловой и электрической энергии.

При условии, если к 30-50-м годам настоящего столетия в России электроэнергия и часть тепловой энергии будут производится АЭС, ГЭС и ВИЭ (ветер, вода, солнце, биомасса, приливы и т. д.), то двигатели внутреннего сгорания (мобильные и стационарные) будут, по-прежнему, использовать моторные топлива, в значительной степени получаемые из ископаемых углеводородов (нефть и природный газ).

К середине века потребление нефти в России на душу населения может достигнуть уровня США и тогда дефицит по нефти для РФ может составить более 300 млн. т в год. Этот недостаток необходимо будет заполнить производством альтернативных видов моторных топлив.

Современный мировой транспорт потребляет около 29 % всех энергетических ресурсов. 97–99 % общего потребления энергоресурсов всеми видами транспорта обеспечивается нефтью, причём до 49–50 % от расходуемых нефтепродуктов идёт на производство моторных топлив.

Таблица. 1-6

Нужна ли альтернативная энергетика России? Что Россия будет продавать и сколько нужно добывать нефти в 2030–2050 г.?

До конца текущего столетия двигатели внутреннего сгорания (ДВС) сохранят ведущую роль в транспортной энергетике [4]. То обстоятельство, что разведанные мировые запасы нефти ограничены и неравномерно распределены по различным регионам планеты, создаёт предпосылки для разработки промышленных технологий получения моторных топлив из сырья не нефтяного происхождения. Получаемое из нетрадиционных видов сырья жидкое и газообразное топливо для мобильных установок называют альтернативным моторным топливом [1–5]. Исследования в области производства и применения альтернативного моторного топлива в последнее время активно развиваются в разных странах мира.

Одним из видов альтернативного моторного топлива является биотопливо. Его получают в результате переработки различных видов биомассы – от древесины до отходов агропромышленного комплекса – методами механической деструкции, термохимии и биотехнологий с использованием технологий каталитического синтеза.

Биотопливо подразделяют на жидкое (для ДВС, например, биоэтанол, биометанол, биобутанол, биодизель, биобензин, биокеросин, ДМЭ), твёрдое (дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга, древесный уголь) и газообразное (биогаз – биометан, биоводород, син-газ).

Под биомассой понимается материал биологического происхождения: фотосинтез, далее флора и фауна, а также разнообразные органические отходы технологического, зоотехнического и физиологического происхождения. Поэтому одна из важнейших задач России заменить моторные топлива (бензин, керосин, дизельное топливо) и топочный мазут нефтяного происхождения на углеводороды биологического происхождения.

Современная биоэнергетика становится объектом большой политики.

Вопрос развития биотопливной индустрии становится все более актуальным. Предлагается следующая классификация сырья для производства биотоплива:

1) по источникам происхождения: биотопливо из продуктов и отходов лесопромышленного комплекса, биотопливо из продуктов и отходов агропромышленного комплекса и биотопливо из биологических муниципальных отходов;

2) по физическим свойствам вещества: твердое биотопливо, жидкое биотопливо и газообразное биотопливо.

К твердым источникам биотоплива относятся:

– твердые продукты лесопромышленного комплекса (ЛПК): лес, отходы деревообработки, твердые продукты агропромышленного комплекса (АПК): солома, стебли, жмых, лузга, биологическая часть твердых бытовых отходов (ТБО).

К жидкому биотопливному сырью относятся:

• жидкие продукты ЛПК: черный щелок, метанол, пиролизное масло;

• жидкие продукты АПК: сырые растительные масла, масляный эфир (биодизель), метанол, пиролизное масло из твердого агротоплива;

• жидкая часть биологических муниципальных отходов (иловые осадки сточных вод, пиролизное масло из твердых бытовых отходов).

Важное место среди различных видов жидкого биотоплива занимает моторное биотопливо для транспорта.

Из вышеперечисленных видов биотоплив с биотехнологией сопрягается только производства: этанола, бутанола, частично биоводорода, биогаза, свалочного газа и растительных масел.

Биоэнергетика за прошедшие 20 лет превратилась в мощный самостоятельный сектор мировой энергетики. По масштабам производства и применения в некоторых развитых странах превосходит использование всех других видов возобновляемой и альтернативной энергетики.

С точки зрения динамики и объемов потребления основными сегментами мирового рынка альтернативной энергетики являются биотопливо, солнечная и ветряная энергетика

Вклад биоэнергетики в энергобаланс таких стран, как США, ЕС, БРИК (кроме России), растет постоянно.

Около 90 % производственных мощностей биотоплива приходится на США, Бразилию и ЕС.

К 2030 г. в зависимости от региона биотопливо может занять от 10 до 30 % совокупного потребления энергии.

В ЕС производство тепловой и электроэнергии из биомассы к 2020 году возрастёт на 850 ТВт-ч (1012 Вт. ч) по сравнению с 2007 годом до 1 650 ТВт-ч. Данный рост составит около половины всего текущего потребления энергии из угля.

Мировым лидером по использованию твердой биомассы для получения тепла и электроэнергии являются США. В 2007 году в США 42 ТВт-ч электроэнергии производилось из твердой биомассы. На втором месте – Япония (16 ТВт-ч), на третьем – Германия (10 ТВт-ч).

По состоянию на конец 2009 года в США насчитывалось около 80 проектов по использованию твердой биомассы для производства электроэнергии общей установленной мощностью 8,5 ГВт.

К 2010 году в ЕС насчитывалось около 800 электростанций на твердой биомассе (дереве, чёрном щёлоке и т. п.) общей мощностью около 7 ГВт, большинство из которых расположено в богатых лесными ресурсами странах Скандинавии, а также в Германии и Австрии.

Около 4 % электроэнергии в ЕС производится из древесных отходов. В 2010 году спрос на пеллеты в ЕС составил 11 млн. тонн, около 15 % из которых было импортировано из США и Канады. В период с 2008 по 2010 гг. США увеличило экспорт пеллет в ЕС более чем в два раза. В конце 2006 года спрос на пеллеты в США составил 1,4 млн. тонн – около 2 % всей произведенной в США электроэнергии (рост более чем в два раза по сравнению с 2002 годом). Основными потребителям пеллет в США является частный сектор и малые тепло– и электростанции.

Общее производство жидкого биотоплива в мире возросло с 16 млрд. л в 2000 году до 100 млрд. л в 2010 году. Жидкое биотопливо составляют около 3 % всего топлива для транспорта, а также достигает существенной доли в некоторых странах, наиболее активно развивающих данный сектор. 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 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. (тн. э. – тонн нефтяного эквивалента)

Международное энергетическое агентство (МЭА) оценивает мировое замещение этанолом более 1 млн. баррелей нефтяного спроса в день.

Из всего производимого в мире 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.

Второе место из моторных биотоплив занимает биодизель, получаемый из растительных масел и метанола.

ЕС остается основным (около 50 %) производителем биодизеля в мире.

В США масштабы производства биодизеля на фоне этанольного бума выглядят намного скромнее, но прорабатываются программы по наращиванию объемов производства американского биодизеля.

Производство биодизеля в США в 2009 году составило 2.2 млн. м3 и осуществлялось в основном из растительных масел.

Важное место в программах развития биотоплив за рубежом занимает производство биогаза.

Лидером по производству биогаза является ЕС. В настоящее время европейский рынок биогазовых установок оценивается в 2 млрд. долларов США, по прогнозам он должен вырасти до 25 млрд. к 2020 году. В Европе 75 % биогаза производится из отходов сельского хозяйства, 17 % – из органических отходов частных домохозяйств и предприятий, еще 8 % – из отходов сточных вод (установки в канализационноочистных сооружениях).

Первое место по количеству действующих биогазовых заводов принадлежит Германии – в 2010 году их насчитывается более 9 000. Только 7 % производимого данными предприятиями биогаза поступает в газопроводы, остальное – используется для собственных нужд производителя. В 2007 г. объем электроэнергии, производимой с помощью биогаза, составил около 2,9 ТВт-ч. В перспективе 10–20 % используемого в стране природного газа может быть заменено биогазом.

В 2000 году мировой рынок биотоплив оценивался в сумме 866 миллионов $ США. И к 2013 году – 2.14 млрд. $ США.

Прогнозируется, что в следующем десятилетии около 18 млрд. $ будет инвестировано в:

1. Крупномасштабное производство электрической и тепловой энергии из биомассы – 13.9 млрд. $ или 78 %;

2. Производство биогаза 1.3 млрд. $ (7 %) (создание крупных централизованных заводов мощностью не менее 10 тысяч тонн перерабатываемого сырья и производству не менее 0.15 МВт тепловой, электрической энергии и топлива для двигателей).

3. Производство «лендфилл-газа» (свалочного газа из ТБО) – 2.7 млрд. $ или 15 % для получения тепловой и электрической энергии.

Итого, на производство биогаза – 4 млрд. $ США или 22 %.

Синтез-газ (син-газ), смесь газов, главными компонентами которой являются монооксид углерода СО и водород Н», которую можно получать в процессе термической обработки биомассы с использованием различных технологий. В настоящее время известно о нескольких инициативах по реализации проектов в области производства синтез-газа в некоторых странах, например в США, Европе, Японии, Австралии и Индии.

Важным дополнением к солнечной энергии и к одному из ее производных – биоэнергетике в недалеком будущем могут стать МЕТАНГИДРАТЫ, обилие которых найдено в океане. [1-42]. Метангидрат сосредоточен на глубинах от 500 до 2000 метров у берегов некоторых континентов, как правило, на крутых подводных склонах. Есть они в Арктике.

Рис. 1–2. Кусок метангидрата выглядит как грязноватый лёд

Рис. 1–3. Строение конгломерата – „ящичной“ псевдомолекулы, состоящей из кристаллической решётки льда и молекулы метана, находящейся в полости этой решётки

Метановый лед относится к так называемым „ящичным“ соединениям. В них не возникает химических связей между молекулами метана и молекулами воды. Метан размещается в пустотах кристаллической решётки водяного льда. Единичный конгломерат из воды и газа составляют 32 молекулы воды и 8 молекул метана. В одном кубическом метре этого вещества содержится значительно больше энергии, чем в кубометре природного газа (при одинаковом давлении). В ледовых пустотах одного кубометра метангидрата „запрятано“ 164 кубометра газа. Молекулы льда, а значит, и метана уложены здесь более плотно. [1-42].

Метангидрат образуется под давлением на глубине в порах донных осадков из органических веществ иловых осаждений, где они подвергаются анаэробному бактериальному разложению с образованием метана.[1-42]. По приблизительным оценкам, на планете хранится от 10 000 до 15 000 гигатонн углерода в виде метангидрата (гига равна 1 миллиарду).

Огромная масса запрятанного на глубине метана перекрывает по запасам все известные на Земле природные источники энергии. Вопрос только в том, как воспользоваться этим богатством?

Сегодня ещё нет отлаженной промышленной технологии добычи нового топлива.[1-42]. Соединённые Штаты, согласно перспективным расчётам, к 2020 году должны на 30 процентов увеличить потребление энергии. Готовы они использовать и метангидрат: конгресс страны отпустил 42 миллиона долларов на разработку программы включения нового топлива в энергетический баланс страны

Намечено, что к 2015 году начнётся эксплуатация прибрежных хранилищ Метангидрат.[1-42]. Особенно заинтересована в освоении добычи метангидрата Япония. Эта страна стремится освоить коммерческую, промышленную добычу. [1-42]. Бурение в Сибири и на Аляске показало концентрацию газа в порах льда от 50 до 80 процентов. Морские залежи крупнее, но там заполняемость газом равна примерно 20 процентам.

1. Метангидрат 10000

2. Уголь, нефть, газ 3500

3. Растительный мир 1400

4. Вода 980

5. Животный мир 830

6. Торф 500

7. Прочие63

Рис. 1–4. Содержание органического углерода (в миллиардах тонн) в запасах метангидрата и в традиционных резервах топлива

В России, в Сибири, есть месторождение Мессоякское – газовое поле, расположенное в вечной мерзлоте, – единственное место в мире, где обычный природный газ получают из метангидрата. Это довольно мощное месторождение, работающее уже много лет. От него проложен трубопровод до Норильска – крупного потребителя энергии. [1-42]. В отличие от вечной мерзлоты океанские запасы, как уже говорилось, состоят из двух частей: метанового льда, слой которого может превышать несколько сотен метров, и удерживаемого этим слоем газового пузыря.[1-42].

 

1.2. Биотопливо третьего поколения

Важным направлением в современной мировой биоэнергетике является широкомасштабное культивирование пресноводных и морских микроводорослей как продуцентов углеводородов, так и для производства дешевой биомассы.

Выращивание зеленых водорослей в современных модернизированных системах биореакторов имеют существенные практические и экономические преимущества для производства биотоплива по сравнению с традиционными культурными растениями [1-43].

Фотосинтез играет абсолютно центральную роль во всех биотопливных производственных процессах, так как это первый шаг в преобразовании солнечной энергии (света) в химическую энергию и, следовательно, в конечном счете, отвечает за управление производством их запасов необходимых для синтеза топлива: протоны и электроны (для био-Н2), сахаров и крахмала (на биоэтаноле), масла (для биодизеля) и биомассы (для BTL и биометан). Следовательно, любое увеличение продуктивности фотосинтеза будет способствовать повышению конкурентоспособности производства биотоплива в целом.

Экономическая эффективность производства биотоплив при конверсии солнечной энергии посредством фотосинтеза определяется эффективностью фотосинтеза. Наибольшей эффективностью фотосинтеза обладает сахарный тростник, использующийся для получния биоэтанола в Бразилии, и кукуруза, использующаяся в США для производства биоэтанола. Эти технологии могут быть экономически выгодными при стоимости нефти выше 40 долларов США за баррель, тогда как стоимость барреля биодизельного топлива составляет 80 долларов США. Таким образом, даже при незначительном повышении фотосинтетической эффективности ожидается значительное увеличение экономической конкурентоспособности производства биотоплив. В этом плане водорослb имеют различные преимущества по сравнению с классическими сельскохозяйственными культурами для производства биотоплива и могут быть сканированы для выделения видов с высокой фотосинтетической эффективностью.

Культивирование водорослей, не требующее использования пахотных земель и лесной древесины, открывает новые экономические возможности для производства биотоплив в засушливых регионах.

В отличие от обычных сельскохозяйственных культур, которые дают один или два урожая в год, микроводоросли имеют короткий жизненный цикл (~ 1-10 дней), что позволяет с одной и той же площади снимать несколько урожаев и даже создать непрерывный процесс.

Производство водорослей позволит значительно снизить использование воды по сравнению с культивированием обычных сельскохозяйственных культур.

В плане водоиспользования большой интерес представляют высокоурожайные морские микроводоросли, использующие морскую соленую воду и с их помощью получать водород и кислород из морской воды и использовать водород для топливных элементов с получением электроэнергии.

Биомасса водорослей может быть использована для биогазификации с получением метана (в начале 80-х годов лаборатория ВИЭ МГУ им. М.В. Ломоносова и Институтом биохимии им. А.Н. Баха АН СССР была разработана такая технология) и диоксида углерода, которые могут быть использованы для каталитического производства жидких углеводородов (биобензина, биокеросина и биодизельного топлива).

Широкие перспективы для создания высокоэффективных водорослей открывает современная генетика.[1-44].

НУЖНА ЛИ ПРОМЫШЛЕННАЯ БИОЭНЕРГЕТИКА РОССИИ, ЗАНИМАЮЩЕЙ ВЕДУЩЕЕ МЕСТО В МИРЕ ПО ЗАПАСАМ И ДОБЫЧЕ ИСКОПАЕМЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ?

В 2010 г. в России насчитывалось 33,8 млн. легковых автомобилей. Ежегодный прирост составляет 1.4 млн. шт. К 2030 г. прирост может составить 25.2 млн. шт., т. е. всего 59 млн. шт.; на 1000 чел. – 421 шт., что в 2 раза меньше, чем в США.[6]. Оптимистичный вариант совпадает с оценкой российских экспертов: 425 шт./1000 жителей [1–7].

По меркам США относительно общей численности населения в России должно быть 115.9 млн шт. легковых автомобилей.

Нижеприведенный список отражает уровень автомобилизации населения ряда стран мира, то есть показывает количество индивидуальных автомобилей в стране, приходящихся на 1000 человек. [1–8]. США – 829; 2. Испания – 608; 3. Финляндия – 591; 4. Франция – 575; 5. Литва – 541; 6. Германия – 534; 7. Великобритания – 525; РОССИЯ -249.

Средний пробег российского автомобиля – 16 700 км в год [1–9]. Средний годовой расход топлива на автомобиль 1670 л или 1252.5 к г.

В 2030 г расход топлива на прогнозируемое количество авто составит 145 млн. т или нефти понадобиться более 500 млн. т/год при 70 % выходе моторных топлив(бензина, керосина и ДТ) при крекинге нефти.

Натуральный объем продаж дизельного топлива в России в 20062010 гг вырос на 4,2 млн т, достигнув 31,6 млн т [1-10,]. Производство дизельного топлива в России в 2012 г. составило 79 млн. т. [1-11].

Прогноз максимального потребления общей суммы моторных топлив в 2017 г оценивается в 102.7 млн. т [1-12].

Добыча нефти в России по оценке Минэнерго в России в 2012 году достигнет рекордных 516–518 млн. тонн.[1-13].

Прогноз добычи нефти в России до 2030 года по макрорегионам, 600,0 млн. тонн [1-14].

Производство авиационного керосина в России составляет около 9 млн. тонн в год [1-15].

США останутся крупнейшим рынком для гражданской авиации (710 млн пассажиров на местных рейсах и 223 млн. – на международных). [1-17].

По итогам 2011 года количество пассажиров, воспользовавшихся услугами авиатранспортной системы РФ, составило около 110 млн.[1-18]. В США летает в 3 раза больше, чем все население, т. е. в Росси к 2030 г. может летать 420 млн. человек и расход керосина составит 25.7 млн. т/год (без учета ВВС) при протяжённости полета одного авиапассажира на внутренних авиалиниях 3200 км.[1-19]. Эффективность использования энергии является своего рода индикатором научнотехнического и экономического потенциала общества, позволяющим оценивать уровень его развития. Сопоставление показателей энергоэффективности экономики России с развитыми странами показывает, что удельная энергоёмкость нашего валового внутреннего продукта (ВВП) в несколько раз выше, чем в развитых странах. Уровень потребления электроэнергии в расчете на единицу сопоставимого ВВП в России выше, чем в США, в 2,5 раза, Германии и Японии в 3,6 раза. Это свидетельствует о значительных резервах экономии энергоресурсов в России, масштабы которых можно оценить ориентировочно в 40–50 % от уровня потребляемых топлива и электроэнергии. Энергоемкость ВВП превышает уровень, достигнутый в развитых странах Запада, в 3,5 раза, но это превышение неравномерно по отраслям. В сравнении с северными странами энергоемкость в российских добывающих отраслях, лесной, целлюлозно-бумажной, пищевой промышленности почти такая же, в обрабатывающих отраслях превышение до 2 раз, в производстве стройматериалов до 3–4 раз, в теплоснабжении и теплопотреблении в пересчете на 1 м2 отапливаемой площади в 4 раза. С учетом объемов теплопотребления станoвится ясно, что теплоснабжение определяет энергорасточительность экономики страны.

По данным Министерства энергетики, можно оценить затраты топлива на теплоснабжение в 450–470 млн т у.т./год (3 т у.т. на чел./год). Это половина потребления топлива в стране, т. е. столько же, сколько тратится на все остальные отрасли промышленности, транспорт и т. д. вместе взятые. Потребление топлива теплоснабжением равняется всему [1-20]. Снижение всего на 20 % потребления только газа, составляющего в топливном балансе почти 60 %, позволит сократить затраты на топливо на 1 млрд долл. США и увеличить экспортный потенциал страны на 5 млрд долл. США ежегодно. Причем увеличение топливному экспорту страны. т. е., 320 млн. т/год жидких углеводородов. экспортного потенциала не потребует разработки новых месторождений и реконструкции газопроводов от мест добычи в центр страны (2–3 тыс. км).

Удельные затраты на теплоснабжение сильно различаются по стране и составляют от 1 до 15 долл. США на 1 м2/год. Население платит около 6 млрд долл. США в год, т. е. 40 долл. США чел./год или 5 % от своих суммарных доходов.

Объем выработки тепловой энергии в России по сравнению с 1970 г. увеличился в 1,56 раза (с 1345 млн. Гкал/год до 2100 млн. Гкал/год), а количество потребленного топлива в 1,5 раза – с 280 до 420 млн. т у.т. (без учета расхода топлива на потребляемую электроэнергию), т. е. уровень энергоэффективности источников тепла практически не изменился несмотря на двукратное увеличение удельного потребления газа, значительное уменьшение доли печного и т. п. отопления.

Удельный расход топлива на выработку тепла в среднем по стране составляет 200 кг у.т./Гкал. Вполне реально уменьшение удельного расхода до 150 кг у.т./Гкал, что эквивалентно уменьшению потребления топлива на 25 % т. е. на 105 млн. т у.т., за счет повышения КПД котлов и увеличения доли комбинированной выработки тепла и электроэнергии.

Суммарные тепловые потери в сетях составляют около 450 млн. Гкал/год. (450 млн. х млн. ккал/год) или 47.4 млн. т/год топочного мазута (ТМ) марки М100. Потенциал экономии за счет прогрессивных способов теплоизоляции, оперативного устранения утечек, уменьшения диаметров трубопроводов, частичной децентрализации теплоснабжения концевых потребителей составляет около 300 млн. Гкал/год. Или 31.6 млн. т ТМ.

Объем теплопотребления по стране составляет около 1650 млн. Гкал/год. = 173.8 млн. т ТМ. Половина тепла расходуется на теплоснабжение жилых зданий, в том числе на отопление около 600 млн. Гкал.= 63.2 млн. т ТМ. При общей площади жилого фонда 2,8 млрд. м2 [3] удельный расход тепла на отопление составляет 0,22 Гкал/м2 год [121]. В 2013 году – производство тепловой энергии в России составило 618,4 млн. Гкал (65.1 млн. т ТМ) – прогноз ФСТ[1-22]. Потребление электроэнергии в 2013 году в России прогнозировалось на уровне 1064,6 млрд. кВт ч, что на 4,1 % больше показателя 2011 года и на 2,1 % превышает ожидаемое потребление в 2012 году.

Объемы потребления электроэнергии населением прогнозировалось на уровне 146,4 млрд. кВт ч, что на 1 % больше плана 2012 года.[1-23].

Предполагается, что доминирующим энергоносителем первой половины ХХI века будет природный газ. Его использование в качестве основного топлива обеспечит высокую энергетическую и экономическую эффективность производства.

Рис. 1–5. Структура производства электроэнергии в России. [1-24].

Удельный расход топлива на выработку тепла в среднем по стране к 2030 г. может составить 150 кг у.т.

В 2030 г. Россия должна будет затратить на теплоснабжение населения по меркам Москвы 97.7 млн. т у.т. или 97700 млн. кг у.т., что эквивалентно 71989.5 млн. кг топочного мазута, что потребует переработать 145.7 млн. т нефти. Для замены этого количества топочного мазута потребуется в год 600 млн. м3 дров стоимостью 600 млрд. руб.[1-25].

Потребление электроэнергии на жителя г. Москвы составляет 1400 кВт час/год, для России – 1100 кВт час/год, для США -3500 кВт час /год.[1-27]. К 2030 г. Для всех жителей России потребление электроэнергии может составить по меркам г. Москвы – 200480 млн. кВт час/год или 200.5 млрд. кВт час/год, по меркам США – 500 млрд. кВт час/год или 47 % от производства электроэнергии в 2012 г.[1-28].

Рис. 1–6. Зоны централизованного и распределенного теплоснабжения РФ.[1-26]

Структура производства электроэнергии на электростанциях России в 2000 году: ТЭС – 67 %; 582,4 ГВт. ч;; АЭС – 15 %; 128,9 ГВт. ч. ГЭС – 19 %; 164,4 ГВт.ч

К 2020 г. прогнозируетя производить 1620 млрд. кВт час /год электроэнергии, на ТЭС придется до 1069 млрд. кВт час/год. На ТЭС придется 66 %, АЭС – 20.7 %, ГЭС – 13.3 %.

Объем производства электроэнергии на ТЭС европейской части страны – 80 % от суммы всех ТЭС России. В 2001 г. ТЭС европейского региона потребили 150 млрд. куб. м природного газа или 95 % от общего объема потребления всей страны.[1-29]. Для производства электроэнергии в 2020 г. потребуется 185–190 млрд. куб. м газа в год. 95 % придется на европейскую часть страны.

186 млрд. м3 газа дадут 610 млрд. кВт ч/год электроэнергии или 57 %, на уголь и мазут – 43 % или 163.8 млн. ту.т., или 15.5 млн. т топочного мазута и 144.5 млн. ту.т. угля.

Соотношение затрат топлива на производство электроэнергии и тепловой энергии на ТЭС равно 2.9 на примере Абаканской ТЭЦ [1-30].

Когенерация – комбинированный процесс одновременного производства тепла и электроэнергии [1-31].

Когенераторная установка вырабатывает электроэнергию и тепловую энергию в соотношении 1:1,5.

Если к 2050 г. ВВП России на душу населения выйдет на современный уровень ВВР США, то российский ВВП должен будет составить 6.54 трлн. Долл. в год, а производство электроэнергии 1770 млрд. кВт ч/год, т. е. дельта по отношению к выработке электроэнергии в 2010 г. составит 770 млрд. кВт ч/год.

Таблица. 1-7

Внутренний валовый продукт и производство электроэнергии в США и России

По постановлению Правительства РФ (январь 2009 г.) к 2020 г. производство электроэнергии должно вырасти до 1700 млрд. кВт ч/год. Вклад ВИЭ должен составить 4.5 %.

Если взять производство электроэнергии по данным США – 1770 млрд. кВт ч/год, то вклад ВИЭ должен составить 79.7 млрд. кВт ч/год.

По данным 2009 г. производство электроэнергии из отходов АПК (отходы КРС, Свиноводства– крупных хозяйств и птицефабрик) может составить 82.43 млрд. кВт ч/год, то есть перекрывает прогноз Энергетической стратегии России к 2020 г по получению электроэнергии из ВИЭ.

Производство биоэтанол в США – это военно-стратегическая и политическая цель США.

Широкое развитие масштабного производства автобиоэтанола из кукурузы в США имеет военно-стратегическое значение на случай возникновения непредвиденных обстоятельств: войны, терактов, крупных природных катаклизмов, и т. д. 207 спиртовых заводов с общей производительностью 48.3 млн. т/год этаола. Производство бензина 1.17 млрд. т/год. Газохол – 3.7 %.

Евросоюз и США всерьез взяли курс на развитие альтернативных источников энергии. ЕС объявил о необходимости увеличения финансирования 10-летней программы развития альтернативной энергетики на 50 млрд. евро. Ожидается, что к 2020 году в развитых странах 20 % всей потребляемой энергии будет вырабатываться без сжигания нефти и газа. Все это нанесет мощный удар по России, которая пока по-прежнему делает ставку на экспорт углеводородов.

На сегодняшний день биотопливо является самым распространенным видом альтернативной энергии в США. На его долю приходится примерно 53 % выработки альтернативной энергии. Далее следует гидроэнергетика – 36 %; на геотермальные источники и энергию ветра приходится по 5 %, на солнечную энергию всего 2 %.[1-32].

МИРОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РЫНОК (2007–2030 годы)

2007 год

Нефть – 36.5%

Газ – 23.5%

Уголь – 27.7%

АЭС – 5%

ВИЭ (с ГЭС) 6.3%

2030 год

Нефть – 23.5%

Газ – 20%

Уголь – 25%

АЭС – 10%

ВИЭ (с ГЭС) -21.5%

К 2030 г. Потребление ВИЭ с ГЭС в мировой энергетике возрастет с 6.3 % до 21.5 %, АЭС с 5 % до 10 %, а потребление ископаемых энергоносителей снизится: нефти на 13 %. Газа– на 3.5 %, угля – на 2.7 %.

Расход тепловой энергии в России на обогрев зданий в 4–5 раз выше, чем в Финляндии и Норвегии (наиболее близкие по климатическим условиям).

КРЕКИНГ НЕФТИ:

Бензин – 20%

Керосин – 9.5%

ДТ – 19%

Мазут топочный 49.4 % [1-33].

«… "сырьевая игла", на которой уже давно "сидит" российская экономика, немного проржавела», Россия «достигла пределов развития и в ближайшие годы нефтяная промышленность начнет идти вниз. При этом компании будут тратить колоссальные деньги даже на то, чтобы хоть как-то поддержать ее на прежнем уровне.

По их оценке в 2013 г., падение будет находиться в пределах статистической погрешности – "процент-два". Затем в течение 3–5 лет динамика добычи нефти в России будет находиться на некоем плато.

После этого возможно ускорение темпов падения добычи "черного золота" в России – до 5–7% в год. Даже несмотря на колоссальные затраты [1-34,1-35].

Таблица.1-8

Прогнозные данные по добычи необходимого количества нефти для производства основных моторных топлив (бензин, керосин, дизельное топливо) в 2030 г. для России

МТ – моторные топлива

Ранее указывалось, что дефицит может составить 300 млн. тонн нефти в год. При переходе на современные технологии крекинга он может уменьшится до 180 млн. тонн нефти в год.

Кроме возможного дефицита добычи нефти на изменение сырьевой структуры моторных топлив в России могут оказать значительное влияние стоимости добычи нефти.

Но значения этих величин в зависимости от стран добычи нефти по разным источника отличаются.

По данным одного из российских экспертов – А. Хайтуна в 2009 г. себестоимость добычи нефти на Ближнем Востоке и в Ливии составляет 2–6 $ за баррель при глубине залегания до 2 км. Нефть расположена вблизи океанских портов, что резко сокращает транспортные издержки.

В России себестоимость добычи нефти оценивается в 6-14 $ за баррель без полного учета затрат на создание и поддержание инфраструктуры, при крайне низкой заработной плате… Себестоимость нефти с новых месторождений ввиду увеличения глубины залегания пластов достигнет 22–24 $, даже если не полностью учитывать удорожание инфраструктуры.

Стоимость транспортировки российской нефти в несколько раз выше транспортировки ближневосточной: средняя дальность доставки по нефтепроводам превышает 3000 км (Ливия – 600 км, Норвегия -1000 км); часть поставок производится на морских судах и железнодорожном транспорте, тогда как основную массу мировых поставок нефти из Ближнего Востока осуществляют океанские суда (в десятки раз дешевле железнодорожного транспорта). [36]. В настоящее время Россия обеспечивает 26 % потребления и 66 % импорта природного газа в страны ЕЭС. Среднее транспортное плечо для газа по России – 2200 км, а при экспорте (если учесть страны СНГ) – порядка 3700 км. Себестоимость российского газа на скважине 4 долл. США за 1000 кубометров.

Это последний относительно «дешевый» газ: себестоимость газа со Штокмановского месторождения по расчетам поднимется до 5,7–6,0 долл. США за 1000 м. Средняя цена транспортировки из России может вырасти вдвое. Экспорт газа из Западной Сибири, уже сейчас идет до середины Франции. Далее, к западу континента, экспорт российского газа нерентабелен. [1-36].

Сильным конкурентом выступают новые газовые месторождения Прикаспия, Ливии и Алжира, а также Центральной Африки, транспортные плечи которых существенно короче, а условия добычи, как минимум, не хуже. Вместе с тем, имеется уверенность в масштабном экспорте на Европейский рынок больших количеств российского природного газа.

Итак, значительная часть разведанных ресурсов России, а тем более перспективных, неконкурентны на мировом и, особенно, европейском рынках. [1-36].

Другой эксперт Евгения Корытина в статье «Нефть за 3 доллара», опубликованной в 2011 г.[1-37] писала, что «… легкая нефть, дешевая рабочая сила и электроэнергия позволяют российским компаниям сохранять низкий уровень себестоимости добычи по сравнению с иностранными конкурентами. Так, «Роснефть» на баррель нефти тратит

2,6 долл., в то время как ExxonMobil «бочка» обходится в пять раз дороже – 10,3 долл. Самые низкие затраты на баррель добычи в 2009 году продемонстрировала «Роснефть» – 2,6 долл., самые высокие издержки были у «Башнефти» – 7,3 долл. за баррель.

Себестоимость добычи у российских компаний самая низкая в мировой нефтяной отрасли (табл. 1–9).

Таблица. 1-9

Стоимость добычи нефти в 2009 году (долл. за баррель) [1-37]

Однако, по другим источникам стоимость добычи барреля нефти в Саудовской Аравии в 2008 г. составляла 2 долл. США [1-38], тогда, как в российской нефтяной компании Роснефть себестоимость добычи одного барреля нефти составляла в среднем 14,57 долларов. [139]. В 2002 г. по данным Эрвин Скорецкого [1-40] соотношение стоимости добычи нефти по странам было следующим: США (суша) 14–27, США (шельф) 10 – 18, Норвегия 12 – 17, Мексика 7 – 12, Южн. Америка 7 – 10, Аляска 5 – 7, Кувейт 1 – 2, Ирак 0.5 – 0.7, Сауд. Аравия 0.4 – 1, Россия 5 – 10.

По мнению А. Хайтуна российский сырьевой рынок ждут трудные времена. [1-36]. «Значимость экспорта нефти и особенно газа для экономики страны не подлежит сомнению». В политическом аспекте экспорт природного газа и нефти – главный инструмент, позволяющий стране участвовать в определении стратегии развития современной Европы. Сегодня перспектива развития нефтяной отрасли на период до 2015 года в России базируется на старых освоенных районах, где доля трудно извлекаемых запасов составляет уже около 60 %. Возобновление ископаемых углеводородных энергоресурсов в нашей стране в XXI веке может происходить только за счет освоения минерально-сырьевых ресурсов Сибири, Дальнего Востока, шельфов арктических морей. Это очень дорогостоящие проекты, требующие не одного десятка миллиардов долларов. Естественными условиями долгосрочных капиталовложений становятся гарантии окупаемости вложений и обеспечения приемлемой рентабельности проектов.».[1-36].

Россия в исторической перспективе диктовать на Европейском рынке энергоресурсов не может. Условия добычи и стоимость транспорта нефти на рынки Европы из Саудовской Аравии и из Тюмени, а в дальнейшем – арктических шельфов, также не в нашу пользу. Неконкурентоспособность продукции северных регионов уже давно предопределена недальновидной стратегией развития Севера России. Были созданы ненужные в столь суровых районах города, размещена избыточная промышленность.[1-36].

Россия неконкурентоспособна на мировом и европейском рынках энергоресурсов по определению, в силу своих географических и природно-климатических условий.

Однако именно в этих районах находится 60–95 % важнейших ресурсов России: энергоносителей, редких металлов, золота, леса. Особенно неблагоприятны условия добычи энергоносителей, которые не относятся к продукции с высокой удельной стоимостью, как, например, золото. Кроме того, внутриматериковое расположение месторождений энергоресурсов, отдаленное на тысячи километров от районов потребления, обусловливает неизбежность транспортировки нефти и газа почти целиком по суше (трубопроводами). [1-36].

Экспортные нефтепроводные мощности увеличатся со 125 млн тонн в 2000 году до 400 млн тонн в 2020-м, экспортные газопроводные – со 185 до 382 млрд. кубометров. Все эти трубы, чтобы окупить их строительство, надо будет чем-то заполнять. Чем?

Ответ дан в докладе об Энергетической стратегии страны до 2030 года, подготовленной Министерством энергетики. Предполагается, что добыча газа в России едва ли не удвоится, достигнув 1 трлн кубометров в год при экспортных поставках в 350–370 млрд кубометров. Добыча нефти в благословенном 2030-м должна превысить 530 млн т, а экспорт – 330 млн тонн.[1-41].

Ведь эти рекордные объемы углеводородов надо, во-первых, добыть и, во-вторых, продать.

Три четверти всех разведанных запасов газа сосредоточены в 21 крупном месторождении. Большинство из них уже вовлечены в разработку не менее 15 лет. Четыре крупнейших (Уренгойское, Ямбургское, Медвежье и Вынгапурское) дают до 80 % всей добычи. И уже вступили в фазу падения добычи. Для резкого роста ныне сторнирующей газодобычи нужны вовлечение в оборот глубинных газосодержащих слоев на этих месторождениях (так называемых ачимовских пластов) и ввод в строй новых месторождений. Последние есть только на Ямале и на шельфе северных морей (например, Штокмановское). Потребуются колоссальные силы и средства на их освоение. [1-41].

Кроме того, не назовешь безоблачной и перспективу продаж газа на экспорт. По данным International Energy Agency, роль российских поставок на рынок ЕС неуклонно снижается. Давление со стороны сланцевого газа может привести к снижению физических поставок, как это уже было в 2009 году. [1-41].

Но не все так мрачно. Выход есть!

Необходимо интенсивно развивать более глубокую переработку нефти и природного газа, развивать нефтехимию и газохимию, активно развивать новые технологии переработки древесины и другой биомассы (водорослей) в разнообразные углеводородные продукты.

Генеральный директор ОАО «ВНИПИНЕФТЬ» Владимир Капустин пишет, что «… наука в сфере переработки и нефтехимии ещё сохранилась в нашей стране, да и уровень не хуже, а то и выше мирового. Например, Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН, возглавляемый академиком Саламбеком Хаджиевым, Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, возглавляемый академиком Валентином Пармоном, выполняют современнейшие высокотехнологичные разработки в области нефтехимии и нефтепереработки. Однако то, что сегодня есть у них, – это на уровне пилотных полупромышленных установок. В промышленность же их не пускают по разным причинам – из меркантильности, из желания купить западные технологии». [1-41].

Таким образом, в ближайшие десятилетия могут возникнуть две важнейших причины, которые могу оказать существенное влияние на изменение сырьевой структуры для производства моторных топлив, электроэнергии и тепловой энергии в России: 1) дефицит добычи нефти и 2) повышение ее стоимости.

И поскольку основным потребителем российского рынка углеводородов будут моторные топлива, то замену нефтепродуктов-моторных топлив надо искать среди возобновляемых источников энергии. И первым претендентом на это место является биоэнергетика: биоэтанол, биобутанол, биометан-биогаз, биоводород, син-газ, биобензин, биокеросин и биодизель.

Потенциальные объемы производства биотоплив из биомассы в России в ближайшие десятилетия могут составить более 800 млн. ту.т./год, и не будут уступать объемам ежегодной добычи нефти, угля или природного газа, (без учета биотехнологического восстановления дебита нефти на старых промыслах) (Годовой энергобаланс России – более 1600 млн. ту.т.).

Шесть китов» современной сырьевой базы для потенциального производства биотоплив в России:

1. ОРГАНИЧЕСКИЕ ОТХОДЫ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА.(80 млн. т у.т./год к 2020 г. – 154 млн. ту.т.),

2. ОТХОДЫ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА И ДЕРЕВООБРАБОТКИ. (20 млрд. ту.т. – всего; ежегодно можно производить до 820 млн. ту.т. – интенсивная технология),

3. ТОРФ (Всего -60 млрд. ту.т. 10.7 млрд. ту.т. промышленный фонд, 100 млн. ту.т./год),

4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПЛАНТАЦИИ (минимум 270.9 млн. ту.т./год, 19.5 млн. га – 20 %, биогаз – 228.5 млн. ту.т., этанол – 41.9 млн. ту.т.),

5. БИОГАЗИФИКАЦИЯ ОСТАТОЧНОЙ НЕФТИ (21.5 млрд. тонн извлекаемой нефти с 1965 г.– 43 года),

6. ДОБЫЧА МЕТАНГИДРАТОВ (общие запасы – 10 трлн. тонн или 1 блрд. куб. м).

Более того, Россия в ближайшем будущем может поставлять 510 % мирового рынка биотоплив (т.з. западных экспертов). Потенциальные возможности России в плане широкомасштабного производства биотоплив огромны, но в настоящее время ее отставание от ведущих стран достаточно велико.

Важная роль в решении указанных проблем на современном этапе развития мировой экономики также отводится производству и использованию биотоплив.

Может ли фотосинтез на территории России обеспечить достаточный вклад биомассы в энергетику страны без ущерба природопользованию? МОЖЕТ!!!

По данным американских экспертов (конец 80-х годов ХХ столетия) для США вклад биомассы в энергетику страны не должен превышать 15 % от общего энергобаланса.

Если оценивать потенциальные возможности современной России по вкладу растительной биомассы в энергетику, то эта цифра составит 255 млн. ту.т., или 1 млрд. куб. м общей древесины в год. Отходы – 222 млн. ту.т.

То есть ежегодно нужно будет вырубать 1/80 лесного массива России, или на восстановление допускается 80 лет.

Совместно с потенциальными возможностями АПК (только отходы) общий объем биотоплива к 2020 г. может составить 376 млн. ту.т

Швеция_при площади лесов 226 тысяч кв. км ежегодно заготавливает 80 млн. куб. м стволовой древесины.

Если это соотношение экстраполировать на площадь лесов России, то ежегодная заготовка стволовой древесины может составлять 2.96 млрд. куб. м, или 1.48 млрд. тонн, что по энергосодержанию равно 740 млн. т у. т./год.

Энергосодержание отходов лесосеки и деревообработки может составить 670 млн. ту.т.

Итого: 824 млн. ту.т.(с АПК)

Таблица.1-10

Виды российских биотоплив, тип сырья, внутреннее потребление и экспорт

Сырьевые возможности российской биоэнергетики не уступают ископаемым углеводородам: нефти, газу и углю.

Это энергетическая и продовольственная безопасность России.

Совершенно очевидно, что проблемами российской биоэнергетики должно активно заниматься государство, разработав соответствующую государственную программу с правовым ее обеспечением.

 

1.3 История развития промышленной биоэнергетики в России

Известный русский микробиолог, член-корр. АН СССР С.И. Кузнецов и созданная им научная школа в 60-х – 70-х годах ХХ столетия экспериментально обосновали, что процессы деструкции органических веществ до метана имеют широкое распространение в осадочных отложениях в настоящее время и что промышленные месторождения природного газа – продукт биологических процессов, протекавших ранее. [45].

Промышленный эксперимент, проведенный С. И. Кузнецовым на нефтепромыслах Поволжья в 1956 г. по использованию биогазовых технологий для увеличения дебита оставшейся в залежах нефти объединил биологию и большую энергетику, и, фактически, был «предтечей» создания Отечественной (но возможно и мировой) биоэнергетики. Становление отечественной Промышленной Биоэнергетики в СССР было связано с крупномасштабным применением биогазовых технологий для решения ряда народнохозяйственных задач: эффективной переработки осадков сточных вод больших городов-миллионников, таких, как г. Москва, и промышленного производства кормового препарата витамина В-12 с целью повышения эффективности откорма и продуктивности отечественного животноводства и птицеводства.

Теория биологического происхождения природного газа и современные научные и технические достижения еще в 1964 г. позволили сделать вывод о возможности промышленной биоконверсии биомассы в метан в масштабах достаточно близких к современной добыче природного газа.

Метан, как ископаемый, так и образующийся в современной биосфере, является конечным продуктом сложной цепочки превращения продуктов фотосинтеза в анаэробных, без доступа воздуха, условиях.

То есть, «новейший» метан современной биосферы и, возможно, значительная часть разведанного ископаемого метана содержит в себе законсервированную энергию Солнца.

nCO2 + nН2О (энергия солнца) → (СН2О)n + nО2 фотосинтез

(СН2О)n + n Н2О (анаэробный биопроцесс) → nСН4 + nCO2

Важное место в решении этих задач современной биоэнергетики играют биогазовые технологии, одновременно решающие проблемы: экологии, энергетики, агрохимии и сельскохозяйственного производства, социальные.

Какой же вывод следует из всего вышесказанного?

От существующих технологий производства энергии необходимо постепенно переходить к технологиям, основанным на использовании ЭНЕРГИИ СОЛНЦА И ЕЕ ПРОИЗВОДНЫМ (ветер, биомасса, гидро– и т. д.), которые позволят сохранить круглогодичный баланс СО2 в атмосфере в соответствии с коротким циклом круговорота углерода и одновременно, минимизировать тепловое загрязнение атмосферы за счет производства тепловой энергии.[1-45].

БИОМАССА ЯВЛЯЕТСЯ ПОСТОЯННО ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМ ИСТОЧНИКОМ ТОПЛИВА.

Академик А.И. Опарин.

1901–1968 г

Академик В.Н.Шапошников

1894 – 1980 г.

Академик Н.Д. Иерусалимский

1901 – 1967 г.

Академик Е.Н. Кондратьева

1925 – 1995 г.

Чл. – корр. АН СССР С.И Кузнецов

1900–1987 г.

Чл. – корр. АН СССР В.Н.Букин

1899 – 1979 г.

Рис. 1–7. Отечественные ученые и специалисты – основатели промышленной биоэнергетики СССР.

Академик АН СССР В.Н. Шапошников; член. – корр. АН СССР С.И. Кузнецов; Академик АН СССР А.И. Опарин; член-корр. АН СССР В.Н. Букин; Академик АН СССР Н.Д. Иерусалимский; академик АН СССР Е.Н. Кондратьева; инженер-технолог И.С. Логоткин; профессор В.Я. Быховский; доктор биологических наук Е.С. Панцхава.

Инженер-технолог Логоткин И.С

1902 – 1985 г.

Проф., д-р биол. наук Быховский В.Я

1935 – 2001 г.

Панцхава. Е.С.

Международный опыт по масштабной реализации биотехнологий в энергетике требует активного содействия государственных структур и разработки соответствующих государственных программ.

Государственная программа должна скоординировать и объединить усилия специалистов науки и КБ, а также машино-строительные предприятия и компании по широкому внедрению ВИЭ в регионах страны.

Потенциальные объемы производства биотоплив из биомассы в России в ближайшие десятилетия могут составить в год около 1500 млн. ту.т./год, и не будут уступать объемам ежегодной добычи нефти, угля или природного газа, годовой энергобаланс России – более 1600 млн. ту.т.

Россия обладает большим опытом промышленного производства биотоплив из биомассы. СССР было первой страной в мире, которая в конце 60-х годов прошлого столетия освоила широкомасштабное промышленное производство биотоплив (биобутанола, биоэтанола, биоацетона, биоводорода и биогаза) из биомассы (мелассы-отхода сахаро-производства из сахарной свеклы).[1-45].

В настоящее время ежегодный объем производимых органических отходов агропромышленного комплекса (АПК) и городов по всем регионам России в сумме составляет почти 700 млн. тонн (260 млн. т по сухому веществу):

350 млн. т (53 млн. т с.в.) – животноводство,

23 млн. т (5.75 млн. с.в.) – птицеводство,

220 млн. т (150 млн. т с.в.) – растениеводство,

30 млн. т (14 млн. т с.в.) – отходы перерабатывающей промышленности,

32,5 млн. т – деревообработка

56 млн. т (28 млн. т с.в.) – твердые бытовые отходы.

Из этого количество отходов можно ежегодно получать до 73 млрд. куб. м биогаза (57 млн. тут.), до 90 млн. тонн пеллет или 75 млн. т «сингаза», который можно конвертировать в 160 млрд. куб. м водорода, а также получить до 330 тысяч тонн этанола, или до 88 млн. куб. м водорода и до 165 тысяч тонн растворителей (бутанола и ацетона).[1-45].

Сельское население России, согласно последней переписи, составляет 39 миллионов человек. Для обеспечения этого количества сельского населения газообразным топливом (приготовление пищи, горячая вода, отопление 8 месяцев) потребуется в год до 14.2 млрд. куб. м.

Современное сельское хозяйство России потребляет в год 2 млн. т бензина и 4.8 млн. т дизельного топлива.

По многолетним исследованиям советских и российских специалистов 1 л бензина или д. т. может быть заменен 1 куб. м природного газа в сжатом состоянии. 1 куб. м пр. газа эквивалентен 2 куб. м биогаза.

Для нужд транспорта и с/х машин потребуется для замещения традиционного топлива до 17 млрд. куб. м биогаза, для всего АПК – 31.2 млрд. куб. м

Биоэнергетика – это энергетические технологии и оборудование для переработки биомассы. Биотехнологии заложены в основу энергетических технологий, из чего следует, что энергетические технологии первичны к биотехнологии. Используя только биологические технология невозможно решить задачи стоящие на сегодняшний день перед малой энергетикой – «Биоэнергетикой».

Развивающаяся российская «Биоэнергетика» по своей масштабности и значимости решает более широкий круг вопросов, лишь частично сопряженных с биотехнологией.

Как свидетельствует мировой опыт, биоэнергетика должна развиваться как самостоятельный сектор экономики в рамках «большой» российской энергетики и в рамках Государственной программы по развитию биоэнергетики (далее – Госпрограмма).

При выполнении задач Доктрины продовольственной безопасности произойдёт увеличение поголовья крупного рогатого скота, свиней и птицы, что приведет к резкому увеличению отходов до 1200 млн. тонн.

Биоэнергетика позволит так же решить задачи переработки отходов лесопромышленного, пищеперерабатывающего комплексов, стоков ЖКХ.

Перед страной поставлена серьезная задача по увеличению использования ВИЭ в общем объеме производства энергии с 1 % до 4,5 % к 2020 году. Решение поставленных задач на 80 % возможно за счет биоэнергетики.

 

Литература

1-1.Энергетическая стратегия России на период до 2020 года, www.wood-pellets.com.

1-2.Панцхава Е.С., Будущее мировой энергетики-водород биофотолиза воды, Энергия, № 10, 2011, стр. 11-17

1-3.Михайлов А, Кризис изобилия, g. Газета. гц.

1-4.Терентьев Г.А. и др., Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов., Химия, 1989 г.

1-5.Кузнецов Б.Н., Моторные топлива из альтернативного нефти сырья., Химия 2000, www.pereplet.ru.

1-6.Количество легковых автомобилей в России на середину 2010 года. serega.icnet.ru.

1-7.Прогноз потребления МТ РФ 2008–2017..www.rsppenergy.ru.

1-8.Материал из Википедии – свободной энциклопедии, ru.wikipedia.org.

1-9.Средний пробег российского автомобиля – 16 700 км в год (Новости autokadabra.ru.

1-10.Анализ рынка дизельного топлива в России в 2006–2010 гг, прогноз на 2011–2015 гг, www.sakhalin.biz.

1-11.Производство дизельного топлива в России в 2012 г., portnews.ru.

1-12.Прогноз потребления МТ РФ 2008–2017.Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.

1-13. Минэнерго: добыча нефти в России в 2012 году достигнет рекордных 516–518 млн тонн., www.gazeta.ru.

1-14.Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН), www.expert.ru.

1-15.Производство авиационного керосина в России составляет около 9 млн тонн в год, www.maгketing.гbc.гц.

1-16..Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.

www.transday.ru.

1-17. Airline Industry Forecast (Airline Industry Forecast 20122016, IATA), www.iata.org.

1-18. Росавиация: По итогам 2011 года количество пассажиров составит около 110 млн., www.finam.ru.

1-19. Алексей Синицкий, Итоги работы гражданской авиации России в 2011 году, www.ato.ru.

1-20.Теплоснабжение Российской Федерации в цифрах,

www.rosteplo.ru

1-21. Теплоснабжение Российской Федерации в цифрах,

www.rosteplo.ru

1-22.В 2013 году производство тепловой энергии в России, inmarket.ru.

1-23.Эненргетика России сегодня и завтра, www.ecoatominf.ru.

1-24. «ВНИПИэнергопром», www.expert.energosovet.ru.

1-25. Стоимость различных энергоносителей, используемых для отопления и их затраты для получения 1 кВт тепловой энергии, www.prokotel.ru

1-26.Зоны централизованного и распределительного тeплоснабжения России, www.omc.zouo.ru

1-27.Потребление электроэнергии на жителя г. Москвы, s.mos.ru.

1-28.Анализ итогов деятельности электроэнергетики за 2011 год, прогноз нп 2012 год, minenergo.gov.ru.

1029.Воронин В.П, Перспективы развития электроэнергетики в условиях либерализации газового рынка, www.rao-ees.ru.

1-30. На Абаканской ТЭЦ установлен рекорд производства электроэнергии www.sibgenco.ru/news/item-164

1-31. Когенерация – комбинированный процесс одновременного производства тепла и электроэнергии., www.energycenter.ru.

1-32. Альтернативная энергия в США, www.omc.zouo.ru.

1-33.Крекинг нефти, www.energyfuture.ru.

1-34.Кузмичев В., В России заканчивается нефть, Росбалт, 05/01/2012

1-35.Институт нефтегазовой геологии и геофизики им А.А. Трофимука СО РАН, www.expert.ru.

1-36.Хайтун А., Россия на энергетическом рынке Европы, www.opec.ru.

1-37.Корытина Е., «Нефть за 3 доллара» Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки..

1-38.Нтересных фактов о нефти, которых вы не знали, vseobefti.ru.

1-39. Стоимость добычи нефти в России, rusanalit.livejournal.com.

1-40.Скорецкий Э., Цена нефти, www.port-folio.org.

1-41. Калашников М., Нефтяной кризис в РФ неминуем, newsland.com.

1-42.НиколаевГ., Будет ли переворот в энергетике? „Наука и жизнь“ №

9 Наука на марше, www.nkj.ru.

1-43.Изменение климата и необходимость замены ископаемых видов топлива, Solar Biofuels The Consortium, NATURE 395 (1998) 881884.)

1-44. Steady as she goes, in The Economist: London.,2006, p. 65–67.

1-45. Е.С. Панцхава и др., Биогазовые технологии, МГУИЭ, Центр «ЭКОРОС» Москва,2008.

1-46. Эксперт: Через семь лет нефти в России станет меньше… news.rambler.ru.

1-47. Нефть – Википедия., ru.wikipedia.org.

1-48. Кризис изобилия Алексей Михайлов эксперт Центра экономических и политических исследований (ЭПИцентр), g. Газета.т.

1-49. Крупнейшие экспортёры и импортёры нефти., Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.

1-50. Китай в 2012 году увеличил импорт нефти на 6,8 проц., Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.

1-51. Расклад сил на мировом рынке нефти., Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.

1-52. Немного o биотопливах., www.zelife.ru.

 

2.1. Биомасса – сырье для производства топлив и энергии

Научно-техническое промышленное направление «Получение твердого, жидкого, газообразного топлив, электрической и тепловой энергий из биомассы посредством термохимических технологий и биотехнологий» относится к общеэнергетической проблеме «Промышленная биоэнергетика».

Решение проблем Биоэнергетики определяется развитием таких направлений, как:

1. изыскание и создание крупномасштабных, высокопродуктивных источников биомассы (фотосинтез, производство древесной биомассы, промышленное разведение растений – продуцентов углеводородов, производство углеводсодержащей непищевой биомассы, производство водной биомассы, использование твердых отходов городов);

2. биотехнологическая конверсия (получение этилового и других спиртов, органических кислот, растворителей из различных видов биомассы, получение биогаза и водорода;

3. термохимическая конверсия (прямое сжигание, газификация, пиролиз, сжижение, фест-пиролиз, синтез) для получения жидкого, твердого и газообразного топлива (рис. 1).

Содержание биомассы в биосфере оценивается в 800 млрд. т [21], причем 90 % приходится на древесину, из них 70 млрд. т накапливается в континентальных лесах с общим энергосодержанием, втрое превышающим современное мировое потребление энергии.

Для сравнения – разведанные запасы угля оцениваются в 500 млрд. т, нефти – 200 млрд. т, природного газа -100 млрд. т (по углю) [2-16].

Биомасса – продукт фотосинтеза – самого мощного на планете преобразователя солнечной энергии – и последующей многообразной пищевой цепочки, основной источник топлива и энергии, включая и ископаемые органические топлива, как конечный продукт переработки древнейшей биомассы.

Биомасса – это растительный и животный мир и продукты их физиологической и технической переработки, включая многочисленные органические отходы. Биомасса или Биоресурсы – это мощный потенциальный мировой источник топлив и сырья для химии.

Биомасса, как производная энергии Солнца в химической форме, является одним из наиболее популярных и универсальных ресурсов на Земле. Она позволяет получать не только пищу, но и энергию, строительные материалы, бумагу, ткани, медицинские препараты и химические вещества. Биомасса используется для энергетических целей с момента открытия человеком огня. Сегодня топливо из биомассы может использоваться для различных целей – от обогрева жилищ до производства электроэнергии и топлив для промышленности и сельского хозяйства.

Биомасса является биологическим материалом фауны и флоры земной биосферы. И рассматривается как возобновляемый источник энергии автомобилей. [2–2,2-3]

Биомассы может использоваться непосредственно, либо косвенно при превращении в другой вид энергии, например, в различные виды биотоплив. Человечество использует биомассу с древних времен как источник энергии. В наше время этот термин может быть упомянуты в двух смыслах В первом смысле, растительная биомасса используются либо для выработки электроэнергии (с помощью паровых турбин или газогенераторы), или для производства тепла (через прямое сжигание). Древесина и древесные отходы остаются основным источником энергии биомассы сегодня.

Во втором смысле, она включает биомассу растительного и животного происхождения, которая может быть преобразована в химические и энергетические продукты, включая биотопливо. К промышленной биомассе относятся различные виды растений: мискантус, просо, конопля, кукуруза, тополь, ива, сорго, сахарный тростник, бамбук, и различные породы дерева, начиная с эвкалиптом, чтобы пальмового масла (пальмовое масло).

За последние десять лет производство этих растений увеличилась на 14 % В США, альтернативные источники электроэнергии производят около 13 % электроэнергии;. Биомасса обеспечивает приблизительно 11 % от альтернативных производств энергии.

В настоящее время энергетические потребности мира составляют ~ 11–12 млрд. т условного топлива (у. т.) и удовлетворяются за счет нефти и газа на 58–60 %, угля – на 30 %, гидро– и атомной энергии – на 10–12 % [2–4]. Разведанные запасы нефти, угля и газа приведены в табл. 1 и 2 [2–5].

В качестве источника энергии используется также растительная биомасса [2–6] (дрова и др.) – порядка 1 млрд. т у.т., или 0,7 млрд. т нефтяного эквивалента (н. э.), что составляет почти четвертую часть из добычи и потребления нефти в мире (~3 млрд. т).

Потребность в нефти и других видах современной энергии, вероятно, будет увеличиваться и одновременно будут усовершенствоваться методы энергетического использования растительной биомассы (помимо прямого сжигания.

Таблица. 2-1

Мировые запасы горючих ископаемых, пригодные для индустриальной добычи, млрд. т н. э.

Таблица. 2-2

Извлекаемые запасы горючих ископаемых и прирост биомассы. млрд. т н. э., [2–6, 2–9, 2-11]

Применение возобновляемой растительной биомассы для производства моторных топлив целесообразно и даже необходимо в связи с ограниченностью запасов нефти. По данным XIII Нефтяного конгресса (1991 г.) [2-11], разведанные запасы нефти в мире оцениваются в 140145 млрд. т (160 млрд. м3), которых при современном потреблении нефти в мире может хватить на 35–45 лет.

По отдельным регионам проблемы с запасами нефти стоят более остро: 76 % запасов находится на Ближнем и Среднем Востоке, в Латинской Америке. На остальные регионы остается 24 %, из которых 67 % приходится на СНГ. Учитывая уровень добычи нефти в 1990 г., этих запасов может хватить на 15–18 лет.

Потребность нефти в Российской Федерации – 270–300 млн. т, в целом по СНГ – 450 млн. т (для сравнения – США потребляют около 800 млн. т нефти). В дальнейшем потребление нефти в мире будет возрастать, поэтому, учитывая дефицит нефти, необходимо развивать новые пути получения жидких моторных топлив. Производство моторных топлив из твердых горючих ископаемых не слишком обширно. Так, в ЮАР получают 5 млн. т моторных топлив, для чего затрачивается 27–30 млн. т бурого угля. Эта технология основана на парокислородной газификации угля и получении моторных топлив из синтез-газа на железном катализаторе. Производство синтетических топлив в крупных масштабах с целью замены нефти представляет трудную задачу. Для производства 150 млн. т синтетических топлив (1/2 потребности России) понадобилось бы около 1 млрд. т бурого угля (добыча угля в 1990 г. в Советском Союзе составила около 700 млн. т, в США -800 млн. т).

Доступным и возобновляемым сырьем для производства синтетических моторных топлив является биомасса растений. Например, в Канаде лесная и лесоперерабатывающая промышленность более 70 % необходимой энергии получает из отходов древесины (газификацией и другими методами). В Советском Союзе в период 1940–1950 гг. были созданы установки, работавшие на лесных и сельскохозяйственных отходах при их газификации воздухом с получением газообразного моторного топлива. Ежегодный прирост биомассы растений на Земле составляет от 170 до 200 млрд. т, считая на сухое вещество, что в пересчете на нефтяной эквивалент соответствует примерно 70–80 млрд. т [2–9, 2-10].

В связи с дефицитом нефти целесообразно использовать местные виды топлив – растительную биомассу, бурый уголь, торф, сланцы, различные твердые органические отходы (мусор в городах) при переработке в жидкое топливо. Общее количество различных твердых органических отходов (лесодобыча и лесопереработка, сельское хозяйство, промышленность, бытовой мусор в городах) может быть очень велико. Например, в США оно достигает 1–1,2 млрд. т в год. Из этого количества можно получить около 1/4 моторных топлив, т. е. более 100 млн. т. Однако большая часть отходов не используется, некоторую часть применяют для получения биогаза (смесь СН4 с СО2), другая часть сжигается.

Например, фирма “Боинг” сжигает биомассу (отходы древесины и городской мусор) для получения примерно 60 % тепла, необходимого для обогрева завода “Боинг” площадью 550 тыс. м2 являющегося крупнейшим в мире производственным комплексом [2-12].

Ресурсы ежегодно возобновляемой растительной биомассы энергетически в 25 раз превышают добычу нефти. В настоящее время сжигание растительной биомассы составляет ~10 % от потребляемых энергоресурсов (примерно 1 млрд. т у. т.), в будущем ожидается существенное расширение использования биомассы в виде продуктов ее переработки (жидких, твердых топлив и др.), и в первую очередь отходов, которые скапливаются и разлагаются, загрязняя окружающую среду [2-13].

Биомасса перерабатывается в топливные и химические продукты различными методами: пиролизом, гидролизом, газификацией, гидрогенизацией и др. Эти процессы осуществляются на передвижных или стационарных установках.

 

2.2.Источники биомассы

Древесина является типичным источником биомассы.

Объем производства биомассы в мире составляет 146 млрд. тонн в год, состоящий в основном из диких растений. Энергию биомассы получают из шести различных источников биоэнергии: бытовых отходов, древесины, энергетических растений, отходов агропромышленных комплексов, свалочного газа, и алкогольного топлива.

Биомасса может быть преобразован в другие полезные формы энергии: газ метан или транспортные топлива – этанол, бутанол, биодизель и биоуглеводороды.

Широкие перспективы для рентабельного производства различных видов энергии и топлива открывает использование для этих целей пресных и морских водорослей.

Энергия созданная путем сжигания биомассы (дров), также известна как dendrothermal.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ БИОМАССЫ.

Химический состав биомассы может различаться в зависимости от ее вида. Обычно растения состоят из 25 % лигнина и 75 % углеводов. К наиболее важным категориям углеводов можно отнести целлюлозу. Лигниновая фракция состоит из молекул не углеводного (производные фенолов) типа.

Рис. 2–1. ТЭЦ в городе Мец, Франция.45MW котел использует биомассу отходов древесины в качестве источника энергии. [2-14].

ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ БИОМАССЫ [2–2].

Двуокись углерода из атмосферы и вода посредством фотосинтеза (квантов световой энергии) образуют "строительные блоки" биомассы. Таким образом, солнечная энергия, сохраняется в химической форме в безмассовой структуре. При окислении биомассы (сжигание) кислородом атмосферы вновь образуется двуокись углерода и вода. Процесс циклический, потому что двуокись углерода может вновь участвовать в производстве новой биомассы.

Рис. 2–2. Упрощенный углеродный цикл.[2–2]

В течение тысячелетий люди добывали энергию Солнца, сохраненную в вы-де энергии химических связей, сжигая биомассу в качестве топлива или употребляя ее в пищу и для технических изделий. Ископаемые виды топлива также являются продуктом длительной биологической и термохимической конверсии древнейшей биомассы. В течение миллионов лет на Земле остатки фауны и флоры превращаются в топливо.

Биомасса считается одним из ключевых возобновляемых энергетических ресурсов будущего. Сегодня она обеспечивает 14 % потребления первичной энергии. Для трех четвертей населения человечества, живущих в развивающихся странах, биомасса является самым важным источником энергии. Увеличение населения и потребления энергии на одного жителя, а также истощение ресурсов ископаемого топлива приведут к быстрому увеличению спроса на биомассу в развивающихся странах. В среднем, в развивающихся странах биомасса обеспечивает 38 % первичной энергии (а в некоторых странах 90 %). Весьма вероятно, что биомасса останется важным глобальным источником энергии в развивающихся странах в течение всего 21 века.[2–2].

Ежегодный прирост биомассы на земле составляет 220 млрд. тонн (по св.), что позволяет запасать в виде энергии химических связей до 4 х 10 21 Дж энергии.

Мировое годовое коммерческое использование всей энергии составляет 3.9 х 10 20 Дж, что в 10 раз меньше запасаемой энергии.

Например, энергетическое содержание производимых в мире сельскохозяйственных отходов составляет 93 х 1018 Дж./год. Допуская, что только 25 % их реально использовать, отходы могут обеспечить около 7 % мировой энергии.

Городские твердые отходы – ТБО также могут быть важным источником энергии. Только в США их ежегодно образуется около 320 млн. тонн, или по 1 т/год на человека. В развивающихся и слаборазвитых странах эти величины соответственно меньше, но можно полагать, что ежегодно в мире в городах накапливается несколько млрд. тонн ТБО [2-16]. Если считать, что, в среднем, ТБО содержат 60–65 % органических веществ растительного и животного происхождения, то по аналогии с фотосинтетической биомассой ежегодное содержание энергии в ТБО может составлять 4–6 х 1018дж.

Рис. 2–3. Производство и потребление биомассы в мире в сравнении с общим потреблением энергии. [2–2].

Потребление биомассы растет быстрыми темпами и в развитых странах. В развитых странах биомасса используется весьма интенсивно: Швеция и Австрия обеспечивают 15 % потребности в первичных энергоносителях за счет биомассы.

В ряде развитых и развивающихся стран биомасса используется для получения энергии и топлива. В мире около I млрд. чел. используют древесину как топливо. 1/7 часть используемой энергии обеспечивается за счет биомассы. В таких развивающихся странах, как Эфиопия, Непал, Танзания энергетика на 95 % зависит от использования биомассы, в Нигерена 85, Сомали-, Судане – 85, Бангладеш, Кении -75, Таиланде – 65, Индии.– 55, Боливии – 45, Китае – 35, Бразилии -25, в среднем – на 45 % [2-15].

Приведенные выше цифры весьма оптимистичны, и даже наблюдавшееся в 1985 – 1986 гг. снижение цен на нефть на международном рынке, по мнению крупной фирмы "Аррlied роwer – technology", штат Калифорния, не может оказать влияния на изменение объемов использования биомассы в целях энергетики.

Рис. 2–4. Использование биомассы в качестве источника энергии в мире

Рис. 2–5. Распределение биомассы в мире (Зеленый цвет – биомасса) [2–2].

Интерес к использованию биомассы как источника энергии вызван следующими положительными обстоятельствами: I) биомасса постоянно возобновляется; 2) энергия, запасенная в биомассе, может храниться и использоваться в течение длительного времени; 3) она конвертируется в различные виды топлива; 4) к настоящему времени разработано и создано значительное число биоэнергетических технологий, пригодных к использованию; 5) имеются реальные перспективы в развитии этой отрасли; 6) широкое вовлечение в энергетику различных видов органических отходов; 7) в ряде регионов биотопливо является более экономически выгодным или основным видом энергии; 8) биоэнергетика является источником экологически чистой энергии, не образуются вредные газообразные оксиды серы, не меняется баланс углекислого газа в биосфере. [2-16].

Однако эта новая отрасль энергетики имеет и свои негативные стороны: I) для производства энергетической биомассы нужны земельные площади; 2) производство биомассы требует воды, удобрений и т. д.; 3) стоимость биоэнергии, колеблется в широких пределах и в ряде случаев намного превышает стоимость традиционных источников энергии; 4) биомассу экономически выгодно использовать только локально; 5} значительная часть биомассы содержит более 50 % воды, что удорожает технологии ее переработки в топливо и энергию; 6) продуктивность биомассы зависит от климата и агроусловий; 7) некоторые виды биомассы сезонны; 8) фотосинтез имеет малый КПД; 9) некоторые технологии конверсии биомассы в топливо пока неэффективны; 10) производство биомассы требует изменения сельскохозяйственной и лесоводческой практики; II) биомассу сложнее хранить, чем нефть или природный газ.[2-16].

Количество и виды топлива, получаемого из биомассы, зависят не только от общих объемов воспроизводимой биомассы, но и от качества биомассы: влажности, состава органических веществ, физических особенностей и т. д.

В ближайшие годы основным сырьем для производства энергии и топлива методами биоэнергетической технологии будут служить разнообразные органические отходы. В развитых странах в год на одного человека накапливается до 5 т органических отходов по сухому веществу.

С дальнейшей интенсификацией производства и урбанизацией происходит концентрация отходов. Это, с одной стороны, требует принятия неотложных мер для их утилизации с целью обезвреживания и охраны окружающей среды, с другой – применения прогрессивных, высокоэкономичных технологий их переработки с возможным вторичным использованием, в частности, для получения энергии, органоминеральных удобрений и др.

Как отмечалось выше, биомасса будет трансформироваться в топливо или энергию методами биологической и термохимической конверсии.

Целесообразность использования биомассы в качестве источника энергии определяется ее энергоемкостью и содержанием в ней питательных веществ и золы. В органическом веществе тканей большинства растений содержится 46–48 % углерода, а у водорослей с высоким содержанием жира и, следовательно, с повышенной энергоемкостью оно достигает 54 %.

Рис. 2–6. Целесообразность использования биомассы [2–2].

Вместе с тем наземные растения, как правило, содержат около 5 % золы, в то время как в водных растениях известковых почв количество золы составляет 25 %, 50 % для некоторых видов водорослей (Chard) и 90 % для коралловых полипов (Corallinaceae).

Хотя энергоемкость некоторых водорослей значительно выше энергоемкости наземных растений, однако вследствие относительно высокого содержания золы количество энергии в макрофитах на сухую массу приблизительно такое же, как у наземных растений. При исследовании 11 видов сосудистых водных растений было установлено, что их теплота сгорания составляет 16 353-19058 кДж/г сухой массы. Результаты изучения тканей пяти видов растений из заболоченных земель показали, что содержание золы колеблется от 5,9 % в тростнике обычном (Phragmites communis) до 15,6 % в хвоще речном (Equisetum fluviatibe) при среднем содержании 8,5 % на сухую массу. При этом концентрация азота находилась в пределах 1,2–2,1 % на сухую массу, а соотношение углерода и азота от 20:1 до 30:1.[2–2].

Водорослевые культуры могут быть эффективным источником энергетического сырья только при таком методе сбора урожая, который исключает использование больших площадей и расходование больших количеств воды и питательных веществ. В некоторых случаях питательные вещества могут быть получены из окислительных прудов, предназначенных для обработки культивируемых растений, а водоемами могут служить мелкие, аэрируемые пруды с большим расходом или с рециркуляционными системами. В таких специализированных системах скорость производства биомассы в небольших масштабах может достигать 60 г/м2 сухой массы в сутки.[2–2].

Заболоченные земли с полупогруженными макрофитами характеризуются высокой продуктивностью (до 600 г/м2 сухой массы в год) и относительно большим выходом биомассы. Однако такие земли, как правило, представляют собой относительно небольшие изолированные участки, не говоря уже о том, что, как и для всех растительных источников биомассы, скорость производства биомассы водорослей зависит от времени года. Исключение, по-видимому, составляют районы вдоль побережья Мексиканского залива, где рост водорослей происходит в течение всего года, хотя и очень медленный зимой. [2–2].

Рис. 2–7. Мировой спрос на первичную энергию по источникам,2005 г [2-17].

 

2.3. Энергетический потенциал биомассы России

Исследования, проведенные в 2005 г. Институтом энергетической стратегии показали, что объем производимых органических отходов АПК и городов по всем регионам России в сумме составлял почти 700 млн. тонн (260 млн. т по сухому веществу) в год:

350 млн. т (53 млн. т с.в.) – животноводство,

23 млн. т (5.75 млн. с.в.) – птицеводство,

220 млн. т (150 млн. т с.в.) – растениеводство,

30 млн. т (14 млн. т с.в.) – отходы перерабатывающей промышленности,

ТБО – 56 млн. т (28 млн. т с.в.),

12 млн. т (2 млн. т с.в.), – . с валовым энергосодержанием 92–93 млн. ту.т. (технический потенциал составляет 90.4 млн. ту.т., экономический потенциал – 53.3 млн. ту.т.).

20 % потенциальной энергии приходится на отходы животноводства и птицеводства,

58 % – на растениеводство,

7.9 % – на отходы перерабатывающей промышленности,

11.9 % – на ТБО и 1.2 % – на осадки сточных вод.

Из этого количество отходов можно ежегодно получать до 73 млрд. куб. м биогаза (57 млн. ту.т.), до 90 млн. тонн пеллет или 75 млн. т «син-газа», который можно конвертировать в 160 млрд. куб. м водорода, а также получить до 330 тысяч тонн этанола, или до 88 млн. куб. м водорода и до 165 тысяч тонн растворителей (бутанола и ацетона).

*Источник: Институт энергетической стратегии

 

Литература

2-1.Hall D.O., Inst. Chem. Eng. Symp., Sept. 1982, n 72, T6/1-T.

2-2.БИОМАССА(ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ),

2-3. Biomass From Wikipedia, the free encyclopedia Jump to: navigation, search

2-4.Storl E. // Energia. 1988. V. 10. № 1. P. 4.

2-5. Я. М. Паушкин, Г. С. Головин, А. Л. Лапидус, А. Ю. Крылова, Е. Г. Горлов, В. С. Ковач., Получение моторных топлив из газов газификации растительной биомассы, Институт горючих ископаемых.

2-6. Wild W. H. //Erdol-Erdgaz-Kohle. 1989. № 3. S. 101.

2-7.Ramain P. //Cah. fr. 1988. № 236. P. 15.

2-8. Otto O. //Glukauf. 1983. B. 119. S. 335.

2-9.Leth H. //Angew. Botanik. 1972. B. 46. № 1. S. 37.

2-10.Bernard B. //Afrique exp. 1984. № 4. P. 44.

2-11.Masters S. D. World Petroleum Congress, Buenos Aeres, 1991

2-12. Frank E. //Petrol. Econ. 1984. V. 51. № 3. P. 104.

2-13.Коллеров Л. К. Газомоторные установки. М.: Машгиз, 1951.

2-14. File: Metz biomass power station.jpg From Wikipedia, the free encyclopedia, www.google.ru.

2-15. Inter. Bioenergy Directory. Ed. P.F. Bente, Washington: Aver. Council Bioenergy, 1984, p. 1000.

2-16. Панцхава Е.С. и др., Биогазовые технологии, М. 2008, 217стр.

2-17. Экономика питание биотопливо ООН., www.slideshare.net.

 

Энергия, продукты питания и труд – ресурсная триада, определяющая социально-экономическую ситуацию современного общества. При этом, если первые два ресурса привычно записываются в разряд дефицита (Миллиард (!) людей на планете голодает, а большая часть энергии добывается варварским способом, отравляющим атмосферу), то третий – трудовой ресурс – все время в избытке (есть страны, где безработица среди трудоспособного населения превышает 80 %). [335]

Этот парадокс объясняется – отсутствием системного подхода к проблеме ресурсов. [3-35].

Цена на нефть в условиях глобальной экономики – один из критичных и очень неустойчивых показателей. В результате, программы по биотопливу то открываются, то закрываются. Так будет продолжаться до тех пор, пока проблема не будет решаться как системная: не отдельно – продовольствие, энергия, трудовые ресурсы, а только в единой системе (куда естественно войдёт и экология, автор). Для того чтобы выявить факторы, лимитирующие решение проблемы, необходимо ответить на ряд вопросов. Прежде всего, достаточно ли биоресурсов второго поколения, чтобы сколь-нибудь значительно сократить использование ископаемого углеводородного топлива.

Биотопливо по механохимическим характеристикам делится на:

1. ТВЕРДОЕ БИОТОПЛИВО

2. ЖИДКОЕ БИОТОПЛИВО

3. ГАЗООБРАЗНОЕ БИОТОПЛИВО

По сырьевому происхождению биотопливо разделяют на:

БИОТОПЛИВО ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ (продукты сельскохозяйственного производства: зерно, растительные масла, животный жир, лесная стволовая древесина).

БИОТОПЛИВО ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ (органические отходы лесопромышленного комплекса и агропромышленного комплекса).

Это различные виды топлива, полученные различными методами термохимии и биотехнологии из вторичной биомассы.

БИОТОПЛИВО ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ(морские и пресноводные водоросли).

Поколения биотоплива [3-54].

Классификация биотоплива необходима для того чтобы избегать двойного учета различных видов биотоплива в статистике, а также для избирательной поддержки разработки и производства определенных видов биотоплива. Тем не менее, существуют различные системы классификации биотоплива во многом противоречащие друг другу.

Первичное и вторичное биотопливо

Наиболее общее разграничение проводится между первичным (необработанным) и вторичным биотопливом (обработанным). Под первичным биотопливом FAO понимает_ «топливо, органический материал которого используется главным образом в своей природной форме (как он был заготовлен)». Образцами такого топлива являются: топливная древесина, древесная щепа, гранулы и т. д. Вторичное биотопливо подвергается трансформации перед использованием и может существовать в твердой (например, древесный уголь), жидкой (например, этанол, биодизель и биомасло) или газообразной (например, биогаз, синтез-газ и водород) форме.

Согласно_Комитету по статистике ООН (Annex A. Стр. 174. Код 5) к первичному биотопливу относятся не только топливная древесина, пеллеты и т. д., но и биогаз, биодизельное топливо, авиационный биокеросин. Единственным видом вторичного биотоплива принимается древесный уголь (charcoal), что в целом противоречит определениям данным в том же документе (разделы 3.16 и 5.10).

Рис. 3–1. Первичная и вторичная энергия

В настоящее время объемы потребления первичного биотоплива намного превышают объем потребления вторичного биотоплива. По оценкам 1БЛ_в мировом потреблении первичной энергии биомасса составляет около 10 % (—1200 млн тонн нефтяного эквивалента) из них около 750 млн тонн используется в виде дров для приготовления еды и обогрева. Тогда как более современные методы использования биомассы, включая жидкие биотоплива, сжигание биомассы на ТЭЦ и т. д., потребляют около 460 млн тонн. В слаборазвитых странах (Танзания) первичное биотопливо составляет до 89 % от всего объема производства первичной энергии.

Биотоплива 1-го, 2-го, 3-го и 4-го поколения

Наиболее стройная система классификации вторичного биотоплива (по определению FAO) была предложена Biofuels Digest. В данной системе учитывается как конкуренция с производством продуктов питания, так и сокращение промежуточных этапов в производстве топлива. Система аналогична системе классификации в работе Dragone et al., 2010 за исключением 4-го поколения биотоплива отсутствующего у Dragone.

Рис. 3–2. Классификация биотоплив по системе Dragone et al., 2010 [3-55].

Первое поколение биотоплива

Биотоплива произведенные путем переработки пищевых сельскохозяйственных растений в биодизель или этанол используя трансэстерификацию или брожение, или путем смешивания растительных масел с ископаемым топливом, или используя чистое растительное масло в качестве топлива.

Второе поколение

Биотопливо, произведенное на землях непригодных для производства продукта питания и с использованием непищевых культур, или произведенное из остатков от производства продуктов питания. Включает в себя технологии производства этанола из целлюлозы, биотопливо из ятрофы, Фишер-Тропш и другие способы газификации биомассы.

Третье поколение

Биотопливо, произведенное на землях непригодных для сельского хозяйства с использованием интегрированных технологий, в ходе которых производится либо само биотопливо, либо предшественник биотоплива, но при этом требующее разрушения биомассы. Типичный пример технологии – это производство биотоплива с использованием микроводорослей накапливающих в себе липиды, но требующее разрушения клеток водорослей, затем экстракции липидов и их трансформации в биодизельное топливо.

Четвертое поколение

Биотопливо, произведенное на землях непригодных для сельского хозяйства и не требующее разрушения биомассы. Примером такой технологии является производство алканов (основных компонентов моторного топлива) генетически модифицированным цианобактериями в ходе фотосинтеза из углекислого газа. При этом происходит секреция алканов с среду, а сами цианобактерии могут продолжать синтез.

Обычное биотопливо и Передовое биотопливо

Также могут использоваться другие системы классификации. International Energy Agency_использует разделение на conventional (обычное) и advanced (передовое или продвинутое) биотопливо. Обычное биотопливо производится по существующим технологиям в промышленном масштабе (биоэтанол из кукурузы и сахарного тростника, биодизель и т. д.), продвинутое биотопливо включает в себя виды биотоплива находящиеся на ранней стадии развития такие как этанол из целлюлозного сырья, «biomass-to-liquids (BTL) diesel», «bio-derived synthetic natural gas (bio-SNG)» и т. д. Нужно отметить, что это определение отличается от определения “Advanced Biofuels” принятого в американском законодательстве, где оно обозначает биотопливо приводящее к снижению выбросов парниковых газов более чем на 50 % по сравнению с ископаемым топливом и включающего в себя этанол из сахарного тростника.

 

3.1. Поколения растительных биотоплив [3-36]

После мирового энергетического кризиса в начале семидесятых годов ХХ столетия в мире возник интерес к возобновляемым источникам энергии, в частности к биотопливу. Первая причина – озабоченность запасами невозобновляемого углеводородного сырья и ростом цен на него. Вторая – попытка стран – импортёров нефти уменьшить зависимость от стран-производителей. Третья – необходимо улучшить экологическую ситуацию. Четвертая – нужно поддержать сельское хозяйство, демпфируя перепроизводство зерновых.[3-37].

Технологии производства биотоплива, в отличие от других альтернативных технологий (использования энергии Солнца, ветра, приливов, геотермальных источников, водорода), могут давать дополнительный выигрыш при эксплуатации биосферы, в том числе повышать эффективность сельского хозяйства и лесного комплекса. Биоэтанол производится из сахарного тростника, багассы, свеклы или отходов свекловичного производства– мелассы, кукурузы, пшеницы, картофеля, соломы, шелухи, опилок – в общем, из любого сырья, которое содержит крахмал или сахар.

Биодизель – это моноэифры жирных кислот – из органических отходов, в частности древесных, можно получать газ – синтез-газ методом пиролиза – разложения органических веществ под действием температуры без доступа воздуха, с ограниченным доступом кислорода.

Биогаз можно получать путем метанового брожения куриного помета или навоза или других жидких отходов растительного и животного происхождения, осадков сточных вод, твердых бытовых отходов, причем побочный продукт этого процесса – отличные удобрения. Наконец, из отходов лесопиления и деревообработки можно под высоким давлением делать так называемые пеллеты (маленькие цилиндрические брусочки), которые охотно используются в Германии, Австрии и скандинавских странах в специальных котлах для отопления домов. Выход тепла у них почти в два раза больше, чем у обычных дров, а места они занимают намного меньше.[3-37]

Из этих технологий наибольшее распространение в мире получили биоэтанол, биодизель и биогаз.

 

3.2. Растительное сырье разделяют на три поколения

 

3.2.1. Растительное сырье первого поколения

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.

 

3.3. Растительное сырье второго поколения

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.

 

3.4. Растительное сырье третьего поколения

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].

 

3.6. Зачем нужны биотоплива

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.

 

3.7. Мировой возобновляемый энергетический ресурс

 

3.7.1. Твердое топливо

 

3.7.1.1. Использование древесного топлива и торфа

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].

 

3.7.1.2.Дрова

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.

 

3.7.I.3. Древесные гранулы

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].

 

З.7.1.4. Древесная щепа

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.

 

З.7.1.5. Энергетические леса

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

 

З.7.1.6. Переработка мусора.

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.

 

3.7.2. Жидкое биотопливо

 

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.

 

З.7.2.1.Использование биоэтанола

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].

 

3.7.2.3.Биометанол

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].

 

3.7.2.4. Биобутанол

C 4 H 10 O – 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.

 

3.7.2.4. Диметиловый эфир (ДМЭ)

C 2 H 6 O 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.

 

3.7.2.5.Биодизель

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].

 

3.7.2.6. Производство биодизеля

Производство биодизеля менее сконцентрировано, чем производство этанола: в 2009 г. на 10 стран приходилось около 77 % мирового производства. В 2009 г. производство биодизеля в мире составило

16,6 млрд. литров (рост на 9 % по сравнению с 2008 г.). В 2009 г. ведущие места по производству биодизеля заняли Германия, Франция и США [3-42]. Камелина (рыжик, рыжей) масличная однолетняя трава Camelina sativa, может расти в засушливых местах, предгорьях, нижнегорный пояс. Выход масла с 1 га 490 кг (583 л). Если занять под камелину 1 млн. га неудобий из МЗР – потенциальный выход биодизеля составит 0,5 млн. т. [3-44].

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). Ятрофа – представитель второго поколения энергетических организмов, т. е. не имеющих пищевого значения. В Индии ятрофой может быть засеяно 30 млн. га, потенциал производства биодизеля 60 млн т. В январе 2008 года в китайской провинции Гуанси стартовала программа под названием «1 миллион му биоэнергетических лесов» 1 млн. му равен примерно 69000 га. На этой площади будет высажена ятрофа. Всего в Китае 212 миллионов гектаров маргинальных земель, на которых могут выращиваться биоэнергетические культуры. Если занять под ятрофу 200 млн. га неудобий, то только в Китае потенциальное производство биодизеля составит 400 млн. т в год.[3-44]. Производство биотоплив (этанол и биодизель) в 2007 г. достигло 53 млрд. литров, что составляет около 4 % от ежегодного мирового потребления бензина. Темпы роста производства биодизеля > 50 % в год;

Таблица. 3-2

Производство биотоплива в 2008 г. [3-44]

 

3.7.3. Газообразное топлив

 

3.7.3.I. Биогаз

Среди биотехнологий, применяемых для производства топлив и энергии, важное место занимают биогазовые технологии. Интенсивное их внедрение в развитых и развивающихся странах, повышение эффективности и рентабельности внесли значительные изменения в переориентировку этих технологий от только энергетических к экологическим и агрохимическим (производство удобрений), особенно при переработке разнообразных органических отходов. Очевидно, это является решающей альтернативой для получения биогаза.

БИОГАЗ – 55–75 % метана, 25–45 % СО2 – получается метановым брожением биомассы (80–90 % влажности). Его теплотворная способность составляет от 5 тысяч до 7 тысяч ккал на нормальный кубический метр и зависит от концентрации метана в его составе. Количество метана, в свою очередь, зависит от биофизикохимических особенностей сырья и в некоторых случаях от применяемой технологии. Выход биогаза на одну тонну абсолютно сухого вещества составляет: 250–350 куб. м для отходов крупного рогатого скота, 400 куб. м – для отходов птицеводства, 300–600 куб. м для различных видов растений, до 600 куб. м – для отходов (барды) спиртовых и ацетоно-бутиловых заводов.

Сырьё для получения. Перечень органических отходов, пригодных для производства биогаза: навоз, помет, зерновая и мелёная после спиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов – соленая и сладкая молочная сыворотка, отходы производства биодизеля – технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков – жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки – мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов – очистки, шкурки, гнилые клубни, кофейная пульпа. [3-37].

Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества.

Различают теоретический (физически возможный) и технически-реализуемый выход газа. В 1950-70-х годах технически возможный выход газа составлял всего 20–30 % от теоретического. Сегодня применение энзимов, бустеров для искусственной деградации сырья (например, ультразвуковых или жидкостных кавитаторов) и других приспособлений позволяет увеличивать выход биогаза на самой обычно установке с 60 % до 95 %. В биогазовых расчётах используется понятие сухого вещества (СВ или английское TS) или сухого остатка (СО). Вода, содержащаяся в биомассе, не даёт газа. На практике из 1 кг сухого вещества получают от 300 до 500 литров биогаза.

Чтобы посчитать выход биогаза из конкретного сырья, необходимо провести лабораторные испытания или посмотреть справочные данные и определить содержание жиров, белков и углеводов. При определении последних важно узнать процентное содержание быстрораз-лагаемых (фруктоза, сахар, сахароза, крахмал) и трудноразлагаемых веществ (например, целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин). Определив содержание веществ, можно вычислить выход газа для каждого вещества по отдельности и затем сложить.

Раньше, когда не было науки о биогазе и биогаз ассоциировался с навозом, применяли понятие «животной единицы». Сегодня, когда биогаз научились получать из произвольного органического сырья, это понятие отошло и перестало использоваться. Кроме отходов биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например, из силосной кукурузы или сильфид, а также водорослей. Выход газа может достигать до 500 м3 из 1 тонны.

В мире наблюдается рост использования биогаза для производства тепла и электроэнергии. Рынок биогаза на сегодняшний момент наиболее развит в странах ОЭСР, что объясняется тем, что именно развитые страны первыми внедрили программы перехода к альтернативным источникам энергии и планомерно поддерживали инициативы, направленные на внедрение новых технологий. В 2008 г. в странах ОЭСР производство электроэнергии с использованием биогаза составило около 30 ТВт-ч.

Лидером по производству биогаза является ЕС. С 1987 по 1995 годы в Европе построено более 150 биогазовых установок и станций [42]. В настоящее время европейский рынок биогазовых установок оценивается в 2 млрд. долларов США, по прогнозам он должен вырасти до 25 млрд. к 2020 году. В Европе 75 % биогаза производится из отходов сельского хозяйства, 17 % – из органических отходов частных домохозяйств и предприятий, еще 8 % – из отходов сточных вод (установки в канализационно-очистных сооружениях). Первое место по количеству действующих биогазовых заводов принадлежит Германии – в 2010 году их насчитывается более 9 000. Только 7 % производимого данными предприятиями биогаза поступает в газопроводы, остальное – используется для собственных нужд производителя. В 2007 г. объем электроэнергии, производимого с помощью биогаза, составил около 2,9 ТВт-ч. В перспективе 10–20 % используемого в стране природного газа может быть заменено биогазом.[42].

В 2001 году в мире было введено в эксплуатацию более 1000 биогазовых установок и станций, из них – 45 % в Европе, 15 % – в США, затем идет Бразилии и другие страны (Китай, Индия и т. д.)

С точки зрения масштабов применения биогаза лидирует Дания. Среди других европейских стран с высокими темпами развития рынка биогаза стоит выделить Великобританию, Швецию, Норвегию, Италию, Францию, Испанию, Польшу и Украину.

В США действует всего около 200 биогазовых заводов, работающих на сельскохозяйственных отходах. При этом в США довольно высокий уровень утилизации биогаза свалок – около 50 %, биогаза сточных вод – около 10 %.

В последние годы эти технологии были детально оценены в Дании, которая стала первой страной, успешно продемонстрировавшей коммерческие биогазовые заводы по переработке отходов животноводства и других сельскохозяйственных отходов для получения тепловой и электрической энергии.

В Дании вклад биогаза в энергетический баланс страны составляет 20 %.

Значительная часть производимого биогаза используется для получения электрической энергии с к.п.д. 31 %, производительность по электроэнергии на 1 тонну перерабатываемых отходов варьирует от 48 до 104 кВт час.

Рис. 3–8. компания Lemvig Biogas стала самой крупной установкой по производству биогаза в Дании.[3-30].

Энергоемкость всего производимого в 2011 г. в Дании биогаза – 4.1 РДж или 1 млн. ту.т./год. [3-31] 46 % централизованных станций, 27 % фермерских станций.

Сельскохозяйственные биогазовые станции перерабатывают: 2.5 млн. т навоза или 5 % от общего объема навоза, 0.5 млн. т органических отходов.

В Дании эксплуатируются: 22 централизованных биогазовых станций мощностью от одного до 4.5 МВт и 60 фермерских мощностью от 0.25 до одного МВт.

Общее число биогазовых станций 172, из них – 60 индивидуальных фермерских, 21 большие кооперативные, 61 станция перерабатывает сточные воды, 25– на мусорных полигонах с получением лендфилл-газа и 5 станций крупных индустритальных компаний. [3-31].

Для генерации тепла и энергии используется навозная жижа из примерно 75 ферм, а также отходы и остаточные продукты из промышленного производства Это способствует формированию здоровой экономики, как для установки, так и для бытового потребления тепла. Кроме того, следует выделить связанные с этим дополнительные преимущества такие, как уменьшение загрязнения окружающей среды и снижение выбросов парниковых газов. Каждый год из производимого биогаза генерируется более 21 миллиона кВт. ч Это электричество продается местной сети электроснабжений. Избыточное тепло из системы охлаждения газового двигателя превышает 18 миллиона кВт. ч. в год. Это тепло распределяется между пользователями центральной котельной Lemvig. Количество пользователей составляет более 1000 домов. Установка для производства биогаза была построена под ключ компанией BWSC [3-29].

Рис. 3–9. Расположение биогазовых установок в Дании. Красные точки– общие кустовые фермерские биогазовые станции (22), синие-отдельные фермерские биогазовые станции [3-30].

Рис. 3-10. Компания Lemvig Biogas может принимать грузы органических отходов от 200 до 10 000 тонн за один раз либо в порту Лемвиг (максимальная осадка 4 м), либо в порту Тюборон (макс. осадка 8,5 м).[3-29].

Дания – мировой лидер в индустриальном производстве биогаза. Доля ВИЭ, как ожидают, к 2035 г. увеличится до 35 %. Наряду с другими возобновляемыми источниками энергии правительство Дании представляет налоговые льготы и для производителей биогаза, т. е. около 20 % капитальных инвестиций для централизованного биогаза и 30 % для индивидуальных станций или установок [3-25].

В течение последних 10 лет наибольшее внимание в этой стране уделялось строительству больших централизованных биогазовых заводов, которые занимаются переработкой отходов животноводства и птицеводства, создающих серьезные экологические проблемы в некоторых районах. В 1996 г. в эксплуатации находилось 18 централизованных биогазовых заводов, способных ежегодно обрабатывать 1,2 млн т биомассы (75 % отходов), давая от 40 до 45 млн м3 биогаза, что эквивалентно 24 млн. м3 природного газа (в среднем 37,5 м3 биогаза на 1 т отходов). [3-13].

Большие количества биогаза производятся главным образом при перереработке твердых бытовых отходов городов: в США – эквивалентно 93–10.15 Дж, Германии -14 1015, Японии – 6 • 1015, Швеции – 5 • 1015 Дж [22]. В Индии, как и в Китае, основной упор сделан на семейные и общинные биогазовые установки – в 1993 г. их было около 1 850 тыс. Однако они требуют первоначальных относительно высоких инвестиций и поэтому не всегда доступны индийским крестьянам. Только в тех случаях, когда нет других источников биомассы, биогаз становится важным источником энергии [3-24].

Основные положения национальной программы Индии по развитию биогазовых технологий включают в себя:

1. снабжение чистой энергией для приготовления пищи;

2. получение органических удобрений, обогащенных элементами химических удобрений;

3. повышение уровня жизни крестьян;

4. улучшение санитарно-гигиенических условий быта и работы [3-25]. Политическая тенденция – поддерживать строительство биогазовых станций большой производительности.

Китай известен своей сельской программой создания крестьянских биогазовых установок. С 50-х годов ХХ века было установлено более 35 миллионов крестьянских домашних биогазовых реакторов с ежегодным выходом биогаза 26.5 млрд. м3. Цель разработки составляет создание до 80 миллионов единиц к 2020 году, в том числе в климатически холодных регионах в северных районах Китая. [26, 37, 56].

Индия имела в 1983 г. 58 тыс. семейных установок, планирует к 1985 г. построить до 400 тыс. установок такого типа.

В странах ЕЭС в 1978 г. была 41 установка, в 1983 г. – 571 установка, работающие на жидких отходах, и 17 установок, перерабатывающих в биогаз (до 100 млн. м3 в год) городской твердый мусор.

В США широкое распространение получили крупные биогазовые установки по переработке городского твердого мусора со средней мощностью до 100 млн. м3 биогаза в год.

Значительная часть производимого биогаза используется для получения электрической энергии с к.п.д. 31 %, производительность по электроэнергии варьирует от 48 до 104 кВт час на 1 тонну перерабатываемого сырья, как правило, органических отходов. [3-27].

К производству биогаза относится также получение ЛЕНДФИЛЛ – ГАЗА, или биогаза – из мусорных свалок [3-28]. В настоящее время во многих странах создаются специальные инженерно обустроенные хранилища для твердых бытовых отходов с целью извлечения из них биогаза, используемого для производства электрической и тепловой энергии [23-8].

Таблица 3-3

Количество различных типов энергооборудования в мире по использованию лэндфиллгаза

Рис. 3-11. Лэндфилл-газ завод в местечке Сэиксаль, Португалия.[3-26].

Общий объем переработки ТБО – 4 млн. тонн/год, газ используется для электростанции мощностью 2 МВт.

В США к 2002 году находилось в эксплуатации 350 заводов по производству лэндфилл-газа, в Европе – 750 заводов., всего в мире-1152, общее количество производимой энергии – 3929 МВт, количество обрабатываемых отходов – 4548 млн. тонн, общая скорость (мировая) выделения лэндфилл-газа – 1.6 млн. куб. м в час.

Рис. 3-12. Электростанция из 13 модулей, использующая лэндфилл-газ в Местечеке Мон-Сант-Гуиберт, Бельгия (Переработка 300 тысяч тонн ТБО в год, мощность электростанции 9.5 МВт, мощность модуля -700 кВт. Скорость поступления лэндфилл-газа (50 % метана) – 5500куб. м/час)[3-26].

Биогаз дает 8 % электрической энергии, произведенной из возобновляемого сырья в США (данные 2006 г.). лендфилл-газ в 2005 г. составлял 24 % от всего количества метана (его производили более 350 заводов). Больше всего биогазовых фермерских установок находится в Калифорнии, Пенсильвании, Висконсине и Нью-Йорке. Приведенные данные свидетельствуют о широкомасштабной поддержке производства биогаза в США.[3-32].

Достижения различных стран – развитых и развивающихся– в области производства и потребления биотоплив представляют значительный интерес как для решения локальных энергетических проблем в современной России, так и для выхода России в качестве крупного поставщики биотоплив на мировой и европейские рынки.

В африканских странах сегодня работает 2 млн. биогазовых предприятий, которые обеспечивают газом около 10 млн. человек. 80 % твердого остатка, образуемого в результате работы установок идет на удобрения. По расчетам экспертов, емкость биогазового рынка в Африке – 20 млн. установок [3-42].

Таблица. 3-4

Оценочная стоимость биотоплива в Штате Айова (США)[3-26]

Производство биогаза из отходов животноводства и растениеводства. Навоз к.р.с. (1,3 млрд. голов) общее количество 9,5 млрд. т в год. Потенциальный выход биогаза ок. 570 млрд. куб. м/год – эквивалентно 1.1трлн. кВт. ч Из навоза свиней и помета птиц можно получить еще 70 млрд. куб. м биогаза, эквивалентных 140 млрд. кВт. ч При производстве биогаза параллельно получается высококачественное органическое удобрение (на два порядка эффективнее навоза). Потенциальный выход органического удобрения 11,2 млрд. т в год.

В мире работают сотни больших биогазовых заводов, перерабатывающих навоз. В Германии их 500 (сырьем служит смесь из 70 % коровяка и 30 % птичьих фекалий), в США создан крупный биогазовый завод, на котором утилизируется навоз от 115 тыс. коров! Этот опыт, несомненно, полезен для России, где вновь начато строительство крупных животноводческих комплексов, навоз которых пока накапливается в хранилищах.

В Швеции, которая сегодня стала лидером по использованию нетрадиционной энергетики в ЕС, биогаз получают из отходов мясокомбинатов (внутренностей животных). Даже курсирует особый поезд, работающий на сжиженном биогазе. Биогаза, полученного при переработке внутренностей одной коровы, достаточно, чтобы поезд проехал 4 км. [3-37].

В нашем климате для того, чтобы успешно протекал биохимический процесс, метантенк нужно подогревать. В Мурманской области

работают две крупных биогазовых установки с реакторами объемом в 50 м3.

Близок к биогазу свалочный газ, который вырабатывается в толщах гигантских «метантенков» – старых городских свалок и добывается оттуда через скважины примерно так же, как природный газ. Биогаз – газ, получаемый метановым брожением биомассы. Разложение биомассы происходит под воздействием трёх групп бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид – бактерии гидролизные, второй – кислотообразующие, третий – метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида.

 

3.7.3.2. Биоводород

Биоводород – водород, полученный из биомассы термохимическим, биохимическим или другим способом, например водорослями.

В настоящее время во всём мире ежегодно производится около 50 млн тонн водорода. Из них примерно 48 % производится из природного газа, 30 % из нефти, и 18 % из угля. При производстве водорода из углеводородов получается большое количество CO2, который является одной из причин глобального потепления. К тому же не все страны обладают собственными углеводородами. Решением этих проблем может стать производство водорода из биомассы.

Термохимический метод При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500–800 °C (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, СО и CH4. Себестоимость процесса $5–7 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до $1,0–3,0. [3-37].

Биохимический метод В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes, Enterobacter cloacae. Возможно применение различных ферментов для ускорения производства водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), содержащихся в биомассе. Процесс проходит при температуре 30 °C и нормальном давлении. Себестоимость водорода около $2 за кг.

Биофотолиз Учёные калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) 1999 году обнаружили, что если водорослям не хватает кислорода и серы, то процессы фотосинтеза у них резко ослабевают и начинается бурная выработка водорода. Водород может производить группа зелёных водорослей, например, Chlamydomonas reinhardtii. Водоросли могут производить водород из морской воды, или канализационных стоков.

 

3.7.4. Синтез-газ

Синтез-газ (сингаз), смесь газов, главными компонентами которой являются монооксид углерода СО и водород Н2, которую можно получать в процессе термической обработки биомассы с использованием различных технологий. В настоящее время известно о нескольких инициативах по реализации проектов в области производства синтез-газа в некоторых странах, например в США, Европе, Японии, Австралии и Индии [3-37].

 

3.8. Биотоплива третьего поколения

Топливо, полученное из водорослей. Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи электростанций. Сбросного тепла ТЭЦ способно покрыть до 77 % потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей. Эта технология не требует жаркого тропического климата.[3-41].

Микроводоросли – сырье для производства биодизеля, биоэтанола и биоводорода.

Испанская фирма Bio-Fuel-Sistems (BFS): из одного кг пасты водорослей можно получить 5700 ккал топлива. Англо-голландский нефтеконцерн Royal Dutch Shell на Гавайях. Водоросли выращивают в прудах-накопителях сточных вод, продуктивность по выходу масла с гектара в 15 раз больше чем при производстве пальмового мала.

Компания «БиодизельДнипро», взяв за основу водоросли «Ботриокопкус брауний», разработала новый метод получения большого количества водорослевой биомассы в краткие сроки и нашла способ получения углеводородов близких по своим качествам к природной нефти и пригодной для изготовления транспортного топлива.[3-47].

Технология разработанная компанией имеет следующие преимущества: углекислый газ, выделяемый при каталитическом крекинге, подается в биореакторы и не попадает в атмосферу. В них он перерабатывается водорослями и полностью утилизируется с выделением кислорода. После отжима от воды и смешивания с катализатором полученная углеводно-водорослевая биомасса поддается биокаталитическому крекингу. Во время этого процесса выделяется CO2, но он тоже направляется к биореакторам, поэтому все выбросы углекислого газа поглощаются водорослями (одна тонна преобразует 2 тонны вредной для окружающей среды субстанции).

В мире все больше ученых концентрируются на производстве биотоплива третьего поколения из водорослей.

Количество лабораторий, занимающихся проблемами производства биотоплива из водорослей в мире выросло в несколько сотен раз. Если в 2006 году этой проблемой занималось около 10 лабораторий во всем мире, то в 2009 число институтов, изучающих эту проблемы перевалило за 200. Инвестиции в этот сектор достигли почти 4 млрд долларов США. [3-48]. Водоросли представляют собой непищевую биомассу, поэтому ее использование для производства топлив не представляет угрозы продовольственной безопасности. Биотоплива третьего поколения можно выращивать промышленно в биореакторах или фотобиореакторах, освещаемых как естественным, так и искусственными источниками света, либо в открытых резервуарах на некультивируемых почвах, включая пустыни. Основные преимущества водорослей, как источника высокоэнергетически насыщенной биомассы, по мнению экспертов, состоит в том, что они растут в 20–30 раз быстрее наземных растений (некоторые виды могут удваивать свою массу несколько раз в сутки), а также производят в 15-100 раз больше масла с гектара, чем альтернативные рапс, пальмовое масло, соя или ятрофа.

 

3.9. Получение моторных топлив из газов газификации растительной биомассы

Топлива из биомассы не содержат серу. Топлива получаются из газов газификации биомассы воздухом при невысоком давлении и температуре… В настоящее время энергетические потребности мира составляют ~ 11–12 млрд. т условного топлива (у. т.) и удовлетворяются за счет нефти и газа на 58–60 %, угля – на 30 %, гидро– и атомной энергии – на 10–12 %. В качестве источника энергии используется также растительная биомасса (дрова и др.) – порядка 1 млрд. т у.т., или 0,7 млрд. т нефтяного эквивалента (н. э.), что составляет почти четвертую часть из добычи и потребления нефти в мире (~3 млрд. т). Потребность в нефти и других видах современной энергии, вероятно, будет увеличиваться и одновременно будут усовершенствоваться методы энергетического использования растительной биомассы (помимо прямого сжигания). Применение возобновляемой растительной биомассы для производства моторных топлив целесообразно и даже необходимо в связи с ограниченностью запасов нефти. По данным XIII Нефтяного конгресса (1991 г.), разведанные запасы нефти в мире оцениваются в 140–145 млрд. т (160 млрд. м3), которых при современном потреблении нефти в мире может хватить на 35–45 лет. По отдельным регионам проблемы с запасами нефти стоят более остро: 76 % запасов находится на Ближнем и Среднем Востоке, в Латинской Америке. На остальные регионы остаестся 24 %, из которых 6–7% приходится на СНГ. Учитывая уровень добычи нефти в 1990 г., этих запасов может хватить на 1518 лет. Потребность нефти в Российской Федерации – 270–300 млн. т, в целом по СНГ – 450 млн. т (для сравнения – США потребляют около 800 млн. т нефти). В дальнейшем потребление нефти в мире будет возрастать, поэтому, учитывая дефицит нефти, необходимо развивать новые пути получения жидких моторных топлив. [3-49].

 

3.10. Биотопливо – плюсы и минусы

Энергетический бюджет мира углеродный: за счет нефти, угля и газа более 70 % производимой энергии. Это вдвойне опасно, поскольку не только ведет к повышению концентрации диоксида углерода в атмосфере, но и чревато истощением источников энергии. Мировое сообщество предпринимает активные попытки снизить зависимость энергетики от ископаемого топлива. Одно из новых направлений развития современной энергетики – использование биотоплива. [3-50].

Критика. Растущий спрос на биотопливо вынуждает сельхозпроизводителей сокращать посевные площади под продовольственными культурами и перераспределять их в пользу топливных.

Но такие заявления противников биотоплив не совсем корректны.

При производстве этанола из кормовой кукурузы барда используется для производства комбикорма для скота и птицы. При производстве биодизеля из сои или рапса жмых используется для производства комбикорма для скота. То есть производство биотоплива создаёт ещё одну стадию переработки сельскохозяйственного сырья

По расчётам экономистов из Университета Миннесоты, в результате биотопливного бума число голодающих на планете к 2025 году возрастёт до 1,2 млрд. человек. Но, продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (FAO) в своем отчете за 2005 г. говорит о том, что рост потребления биотоплив может помочь диверсифицировать сельскохозяйственную и лесную деятельность, и улучшить безопасность пищевых продуктов, способствуя экономическому развитию. Производство биотоплив позволит создать в развивающихся странах новые рабочие места, снизить зависимость развивающихся стран от импорта нефти. Кроме этого производство биотоплив позволит вовлечь в оборот ныне не используемые земли. Например, в Мозамбике сельское хозяйство ведётся на 4,3 млн га из 63,5 млн га потенциально пригодных земель.

Распространение. По оценкам Worldwatch Institute в 2007 году во всём мире было произведено 54 миллиарда литров биотоплив, что составляет 1,5 % от мирового потребления жидких топлив. Производство этанола составило 46 миллиардов литров. США и Бразилия производят 95 % мирового объёма этанола. [3-50].

Экономический эффект. По оценкам Merrill Lynch прекращение производства биотоплив приведёт к росту цен на нефть и бензин на 15 %. По оценкам Стэндфордского университета во всём мире из сельскохозяйственного оборота выведено 385 – 472 миллиона гектаров земли. Выращивание на этих землях сырья для производства биотоплив позволит увеличить долю биотоплив до 8 % в мировом энергетическом балансе. На транспорте доля биотоплив может составить от 10 % до 25 %. Производство биотоплива из продовольственного сырья недопустимо, получать его нужно из любых органических отходов и древесины быстрорастущих пород. [3-50]

Существуют три основные проблемы в использовании биотоплива в качестве топлива для автомобильного транспорта:

1) Биотопливо должно быть произведено с минимальными выбросами CO2 и других воздействий на окружающую среду.

2) Биотопливо должно быть «пригодным для целей» без экологических для транспортных средств оперативных последствий.

3) производство биотоплива не должно конкурировать с производством продовольствия.

В частности, компания Toyota изучает биотоплива второго поколения из древесины или соломы. Это обещает ряд преимуществ, среди которых не вызывает затруднений использования в существующих транспортных средств и перспектива еще большего сокращения выбросов парниковых газов.

Совместимость ДВС с применением Биотоплива [3-51]. Совместимость автомобилей марки Toyota и Lexus, произведенных для европейского рынка с использованием смеси биотоплива:

Бензин (статус июля 2010 года) Toyota: Все европейские модели с января 1998 года могут использовать бензин с более 10 % этанола (E10), за исключением следующих моделей:

Avensis 2.0 L с двигателем 1AZ-FSE сделаны в период с июля 2000 года по октябрь 2008 года;

Avensis 2.4 L с двигателем 2AZ-FSE между июне 2003 года и октябре 2008 года. Lexus: Все европейские модели с января 1998 года могут использовать бензин с 10 % этанола (E10), за исключением следующих моделей:

IS250 2.5 L V6 с двигателем 4GR-FSE сделаны в период с августа 2005 года по сентябрь 2007 года;

GS300 3.0 L V6 с двигателем 3GR-FSE период с января 2005 года по сентябрь 2007 года, и

LS460 4.6 L V8 с двигателем 1UR-FSE между августом 2006 года и сентябре 2007 года.

Все бензиновые автомобили Toyota и Lexus, которые не совместимы с E10 могут использовать бензин с 5 % этанола (E5).

DIESEL (по состоянию на июль 2010 г.) Все европейские дизельные модели Toyota и Lexus совместимы с B7 Европейского стандарта EN590: 2009.

Директива 2003/30/EC Европейского Парламента и Совета от 8 мая 2003 года о продвижении использования биотоплива и других возобновляемых видов топлива для транспорта. [3-52].

16/10/2007 Директива требует, чтобы государства члены приняли законодательство и необходимые меры для обеспечения того, чтобы биотопливо (жидкое или газообразное топливо, используемое для транспортировки и производимый из биомассы, то есть биологически разлагаемые отходы и остатки, например, сельское и лесное хозяйство) в минимальных долях от проданного топлива на своей территории использовалось.

В контексте устойчивого развития в Европе и в Зеленой книге "На пути к европейской стратегии энергетической безопасности", Комиссия предлагает подлинный план действий, направленный на увеличение доли биотоплива до более чем 20 % европейского бензина и дизельного топлива для потребление в 2020 году.

По прогнозам в Зеленой книге, транспортный сектор будет расти примерно на 2 % в год в течение ближайшего десятилетия. Тем не менее, более широкого использования биотоплива на транспорте является частью пакета мер, необходимых для соблюдения Киотского протокола.

Конечной целью является снизить зависимость от использования нефтяного топлива, которое является существенной причиной для беспокойства для Европейского Союза (ЕС) в отношении окружающей среды и безопасность поставок.

 

3.11. Термохимическая конверсия биомассы в топливо

Более подробно технологии переработки биомассы в топливо описаны в главе 4.

3.11.1. Прямое сжигание – древнейший, но наименее выгодный процесс с КПД получения тепловой энергии 15… 18 %.

3.11.2. Пиролиз термохимическая конверсия сырья без доступа воздуха при температуре 450…550 °C.

3.11.3. Газификация – сжигание биомассы при температуре 900… 1 500 °C в присутствии воздуха или кислорода и воды.

3.11.4. Сжижение – производство жидкого топлива из биомассы путем термической конверсии: термический пиролиз или газификация в присутствии катализаторов.

3.11.5. Быстрый пиролиз – биомасса в течение короткого времени подвергается воздействию экстремально высоких температур (700… 1 400 °C).,

3.11.6. Синтез – каталитический синтез метанола из газов, образующихся при термической конверсии биомассы.

 

3.12. Биотехнологии

К биотехнологиям относятся такие процессы, как: биогазовые технологии; производство этанола, бутанола, изобутанола; получение биодизельных топлив, жирных кислот, растительных углеводородов; производство биоводорода, получение тепловой энергии.

3.12.1. Биогазовые технологии. Биогаз – смесь метана и углекислого газа – продукт метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения

3.12.2. Производство этанола. Этанол, а также другие низшие спирты, альдегиды и кетоны – продукты спиртового брожения разнообразных сахаро– и крахмалосодержащих субстратов.

3.12.4. Биодизельное топливо имеет те же характеристики, что и обычные дизельные масла, которые могут использоваться в дизельных двигателях.

3.12.5. Получение тепловой энергии активным компостированием (микробное окисление). Использование этого метода для утилизации твердой биомассы и, прежде всего, твердых органических отходов также может внести существенный вклад в энергетику, в частности, в производство тепловой энергии.

Одна из особенностей решения этой проблемы в ХХI веке состоит в том, что энергопроизводство должно быть экологически чистым.

 

3.13. Вклад биомассы в мировое производство энергии

Таблица. 3-5

Прогноз роста скоростей вклада возобновляемых источников энергии в мировой энергетический баланс (%) [3–5]

Скорость прироста вклада биомассы в энергобаланс мира намного меньше, чем у других типов возобновляемых источников энергии. Но вклад биомассы в 2001 году составлял 1.1–1.2 млрд. тонн нефтяного эквивалента (н. э.) при общем вкладе всех ВИЭ – 1.36 млрд. тонн н. э. при общем производстве энергии в мире – 10 млрд. тонн н. э.

К 2040 году общее потребление энергии в мире прогнозируется на уровне 13.5 млрд. тонн н. э. (100 %), вклад всех ВИЭ к этому периоду – 47,7 % или 6.44 млрд. тонн н. э., тогда как вклад биомассы составит 23,8 % или 3.21 млрд. тонн н. э. [3–5].

В последние годы в опубликованных многочисленных глобальных энергетических сценариях была включена устойчивая роль возобновляемой энергетики для энергетической обеспеченности, и вклад биомассы для этих целей может составить:

от 59 до 145 х 1018дж к 2025 году и от 94 до 280 х 1018дж к 2050 г.

В 2003 году вклад биомассы в общий энергобаланс Европейского Союза (15 стран) составил 3,6 %, что несколько выше, чем все остальные возобновляемые источники энергии (3,4 %), но их доля различна: так, в Австрии она равна 12, в Швеции – 18, в Финляндии – 23 %.

К 2030 году этот вклад планируется увеличить до 19 % (27 стран ЕС). [3-53].

Таблица. 3-6

Рост вклада биомассы в общее потребление энергии в отдельных станах. [3–6]

Основные направления использования биомассы в целях энергетики Европейского Союза [7]:

1. Производство пеллет и древесной щепы (прямое сжигание).

2. Газификация и пиролиз («синтез»– газ или по– европейски – «син-газ»», метанол для транспорта).

3. Производство биоэтанола.

4. Производство биодизельного топлива.

6. Производство биоводорода.

7. Производство биогаза

Таблица. 3–7. Перспективы потребления биотоплив в Европе.

2000 – 0.9 млн. тонн нефт. экв./год

2005 – 5.0 «««

2010 – 17.0 «««

2020 – 37.0 «««

при стоимости 350–450 Евро за 1 тонну нефтяного эквивалента.

Большая часть накапливаемой биомассы, постепенно трансформируясь, главным образом, в результате сложных трофических (пищевых) связей, в конечном итоге окисляется до СО2. По законам сохранения энергии этот процесс сопровождается выделением энергии, которая рассеивается в окружающую среду.

Глобальные экологические тенденции подталкивают к более совершенным и безопасным для здоровья человека способам производства, к уменьшению отходов, к уменьшению загрязнений от транспорта, к сохранению естественных ландшафтов и лесов, к рассредоточенному производству энергии и сокращению эмиссии парниковых газов [3–8].

Важная роль в решении этих проблем отводится производству и использованию биотоплив.

В 2000 году мировой рынок биотоплив оценивался в сумме 866 миллионов долл. США. В 2004 году он составил 1.28 млрд долл. И к 2013 году – 2.14 млрд. долл. США.

Прогнозируется, что во втором десятилетии в производство биотоплив будет инвестировано около 18 млрд. долл.

В развивающихся странах биомасса является главным источником энергии для многих ремесленников и малых производств: хлебопечение, пивоварение, текстильная мануфактура, производства табака, кофе, чая, копченостей, кирпича и т. п. Например, в Азии около 20 % регионов используют дрова в сельскохозяйственном производстве и при переработке сельхозпродуктов [3–9]. Древесный уголь применяется при производстве железа, стали, цемента и т. д.

В Бразилии для тяжелой промышленности требуется ежегодно свыше 6 млн т древесного угля. Здесь для получения топлива и энергии эффективно используется багасса. Оценка энергетического потенциала остатков багассы после обеспечения всей энергии, необходимой для сахарного производства и получения этанола, составляет 6 000 МВт. В 1995 г. имелось 12 заводов мощностью 114,8 МВт по производству спирта, использующих багассу. Несмотря на очевидную выгодность ее энергетического использования, в Бразилии имеются проблемы, уменьшающие масштабы применения последней: ограничения на использование частного капитала для развития промышленного производства электроэнергии; длительные сроки окупаемости оборудования, применяющего багассу; сезонность потребления багассы и трудности ее хранения; сложности связывания национальных и региональных энергосетей в большинстве далеких сельских районов; низкие тарифы на электроэнергию и необходимость правительственных субсидий [3-10].

В Индии программа децентрализации производства энергии, инициированная в 1995 г., обеспечила поддержку проектов по производству энергии мощностью от 10 до 15 МВт в малых сельских общинах. Предусматривалось на период 1970–2000 гг. выполнить проекты установок общей мощностью 500 МВт. Проект включал в себя создание около 1 600 систем газификации мощностью 16 МВт главным образом для получения электроэнергии в сельской местности. Для Индии потенциальные возможности использования багассы оцениваются в пределах 2 800…5 100 МВт.

В Китае к 2010 г. планировалось создание станции мощностью 300 МВт по газификации багассы, соломы и опилок.

В США реализуются проекты: государственной электростанции на Гавайях (сжигание багассы в псевдоожиженном слое) мощностью 3…5 МВт и электростанции в штате Вермонт мощностью 45 МВт, работающей на древесной щепе.

Страны Европейского Союза (ЕС) также активно размещают системы газификации биомассы. В 1990 г. их мощность составляла 15 МВт., к 2000 г. планировалось довести эти мощности до 20…30 МВт, а к 2005 г. до 50…80 МВт.

В ЕС активно совершенствуются энергоконвертирующие системы с учетом их экологической безопасности. В Австрии уже имеется около 100 местных современных топливных систем мощностью 1 200 МВт. Различные системы газификации и газотурбинных комбинированных циклов мощностью 6 МВт электрических и 9 МВт тепловых уже созданы и создаются в Швеции (местечко Варнамо). Ежегодное использование биотоплива оценивается в 42 10.15 Дж [3-11].

В последние годы вновь повысился интерес к биотопливам, особенно к этиловому спирту. Ведущими странами по его производству и топливному использованию являются Бразилия и США. В меньших объемах этанол для целей энергетики производят в Аргентине (220 Мл/год), Зимбабве [3–2], Кении [3–7,3-8], Малайзии (6 Мл/год). В ЕС опыты по применению биоэтанола в транспорте были проведены в Германии, Италии, Швеции и Франции.

Как отмечалось ранее [2], Бразильская программа по использованию этанола – наиболее масштабная в мире – начала действовать с 1975 г. В настоящее время Бразилия ежедневно замещает этанолом до 250 000 баррелей импортируемой нефти. В момент наивысшей реализации этой программы (конец 1980 г.) в Бразилии почти 5 млн автомашин использовали чистый этанол и 9 млн – его смесь (20…22 %) с бензином (газохол). Позднее повышение цен на сахар, высокие требования к чистоте этанола, а также неопределенное отношение правительства к этой программе привели к сокращению применения этанола. Начиная с 1976 г., 140 млн м3 бензинового эквивалента было замещено этанолом, что оценивается в 50 млрд долл.

На фоне некоторого снижения использования этанола как топлива в Бразилии заметно растет интерес к нему в США – втором мировом лидере по масштабному изготовлению этанола для нужд автотранспорта. В 1994 г. его производство оценивалось в 5,3 млрд л (1,4 млрд галлонов США) и дополнительно строились новые предприятия по выпуску этанола в объеме 908 млн л (240 млн галлонов). Предусматривается дальнейшая экспансия, так как этанол входит в октановый рынок, и как «чистое» топливо производится теперь в 21 штате; этанолбензиновая смесь (газохол) составляет 10 % топливного рынка США и используется более чем в 100 млн двигателей (20). Сотрудники

General Energetic Council (GEC) отметили, что в 2005 г. около 5 млн автомобилей использовали этанол как нефтяное топливо.

Департамент энергетики США планирует изготовлять этанол из биогидролизатов (ферментное расщепление целлюлозы) древесины при стоимости 0,79 долл. за галлон (0,2 долл. за 1 л) в 2005 г. и 0,56 долл. за галлон (0,14 долл. за 1 л) в 2030 г., а также в 2005 г. увеличили его производство методом ферментативного гидролиза до 9 млрд л и к 2030 г. довести его до 85 млрд л [3-11].

К другой группе жидких биотоплив, вызывающих коммерческий интерес в США, Канаде и ЕС, относится биодизельное топливо. В соответствии с изложенным используются четыре главные технические альтернативы: создание смесей растительных масел с дизельным топливом для отопления; очистка растительных масел для специальных дизельных двигателей; трансэфиризация растительных масел для нормальных дизельных двигателей; трансэфиризация растительных масел, смешанных с дизельным топливом, для нормальных дизельных двигателей.

Широкомасштабное коммерческое производство биодизельного топлива из рапса уже начато: в Австрии оно составляет 3 % общего рынка дизельного топлива при наличии производственных мощностей до 30 тыс. т/год; во Франции эти мощности составляют до 20 тыс. т/год; в Италии в ближайшие годы планируется создание мощности по произвоству биодизельного топлива в объеме 60 тыс т/год.

В США этой проблемой занимается специально созданный национальный биодизельный совет по коммерциализации и индустриализации биодизельного топлива. Планируется на 20 % заменить обычное дизельное топливо биодизельное и использовать его на морских судах, городских автобусах и в малой индустрии [3-12];

Несмотря на увеличивающийся интерес к биодизельному топливу, его рынок пока еще ограничен из-за высоких цен и требований к растительным пищевым маслам. Но этот вид топлива может играть важную роль в сельских районах развитых стран.

 

3.14. Масштабы современного производства биотоплив в мире по основным технологиям

 

3.14.1. Производство пеллет

Производство пеллет включает 5 основных стадий: складирование и подготовка сырья; сушка сырья до влажности 18–19 %; производство пеллет; охлаждение теллет; упаковка и складирование.

Характеристика пеллет: энергосодержание – 17–18 МДж/кг; плотность 650–700 кг/куб. м; диаметр – 6-16 мм; длина – 20–30 мм; содержание золы – 0.4–1.0 %; влажность – 7-12 % 3 м 3 древесных пеллет по энергосодержанию эквивалентны 1 м3 нефти [3-13].

Стоимость одной тонны пеллет – 60–90 Евро.

Пеллеты могут быть использованы для:

• производства биосингаза и биоводорода,

• быстрого пиролиза

• производства метанола

• газификации

• прямого сжигания

Пеллеты широко используются в странах Европейского Союза для получения тепловой и электрической энергии. Например, в Австрии общее количество приобретенных бытовых бойлеров, использующих пеллеты, за период с 1997 по 2003 годы составило около 22 тысяч комплектов, или в год: 1997-425; 1998–1323; 1999–2128; 2000–3466; 2001–4932; 2002–4492; 2003–5193.[3-14].

 

3.14.2. Газификация

Из 1 кг пеллет можно получить около 0.6 кг «син-газа» (0.28 кг нефтяного эквивалента/кг пеллет).

Сырье для газификации: древесина, солома, стебли кукурузы, багасса, отходы растениеводства, отходы лесоводства, специальные плантации.

Стоимость 1 тонны син-газа 250 евро (500 евро за 1 т нефтяного эквивалента) при условии стоимости исходной биомассы 20 Евро/т (влажность 10 %) и мощности завода 130 т СИН-ГАЗА/ГОД.

Син-газ далее используется для получения водорода, метанола, аммония, электрической энергии и серы.

Для получения син-газа все шире используются твердые бытовые отходы [3-15].

Состав син-газа, получаемого при t-1200 °C из твердых бытовых отходов (ТБО):

Водород – 25–42 %, угарный газ – 25–42 %, углекислый газ – 1035 %, азот – 2–5%, метан >1 %, сероводород – следы.

В Японии, в провинции Чиба работает завод по переработке 300 тонн ТБО/ сутки для производства син-газа, идущего на получение водорода для сталелитейного завода.

Рис. 3-13. Япония, провинция Чиба, завод по производству водородаиз син-газа из ТБО

В провинции Мутсу работает завод мощностью по переработке 140 тонн /сутки ТБО для производства электроэнергии, в провинции Нагасаки – 300 т/сутки ТБО для производства электроэнергии, в провинции Курашики – 555 тонн/сутки ТБО для сталелитейного завода, в провинции Юории – 450 тонн/сутки ТБО для паровых турбин, в провинции Токушима – 120 тонн/сутки ТБО для производства электроэнергии, в провинции Изуши – 95 тонн/сутки для паровых турбин.

В Италии в местечке Фондотоц работает электростанция на сингазе, получаемого при газификации ТБО. Завод, производящий син-газ, имеет мощность по переработке 95 тонн ТБО/сутки.

Рис. 3-14. Италия, местечко Фондотоц, электростанция, использующая син-газ, получаемый из ТБО.

В Германии в местечке Карлсрух работает завод мощностью по переработке 720 тонн/сутки ТБО для производства тепловой энергии для муниципальный целей и эксплуатации паровых турбин.

Массовый баланс при получении син-газа при газификации ТБО. [3-15].

Сырье: Отходы – 1000 кг +кислород, природный газ – 514 кг = 1514 кг

Продукты: син-газ 890 кг, минеральные вещества – 230 кг, металлы – 29 кг, сера – 2 кг, цинковые соединения – 3, смесь солей – 10 кг, чистая вода – 350 кг = 1514 кг.

 

3.14.3. Пиролиз

Пиролиз – процесс переработки лигноцеллюлозного материала без доступа воздуха для получения жидких органических топлив – бионефти.

В Канаде в провинции Онтарио (Зап. Лори) в компании «Дина Мотив энерджи систем» работает завод по получению бионефти пиролизом мощностью по обработке 200 тонн в сутки [3-16].

Для этого процесса можно использовать до 20 видов биомассы, из которых пиролизо получают от 58 до 80 % бионефти на 1 тонну исходного сырья: кукурузная шелуха, еловая и сосновая древесина, древесина листвиницы, багасса, береза, черный тополь, кедр, солома, ТБО. Наилучшим является кукурузная шелуха, которая дает до 80 % бионефти, 12 % активированного угля, 7 % газов на 1 тонну. Сосново-еловая древесина (смесь) дает до 70 % бионефти, 14 %– угля, 13 % газов, солома пшеницы – 58 % бионефти, 18 % уголь, 24 % газы.

 

3.14.4. Получение биоэтанола

Формула С2 Н5 ОН. Молекулярный вес 46.1 С-52.1 %, Н2 -13.1 %, О2 -34.7 %, С/Н = 4, стехиометрическое отношение (воздух/этанол) = 9.0.

СЫРЬЕ: сахарная свекла, сахарный тростник, кукуруза, пшеница, картофель, сладкое сорго, касава, меласса, багасса. [3-13].

Таблица. 3–8. Производства спирта из разных культур с 1 га и стоимость 1 куб. м [13].

СЫРЬЕ ОБЪЕМ ПР-ВА СТОИМОСТЬ

т ЕтОН/га $ /куб. м

1. Сахарная свекла 2.5 – 3.0 300-400

(15 Евро/т)

2. Сахарный тростник 3.5 – 5.0 160 (best)

3. Кукуруза 2.5 250-400

4. Пшеница 0.5–2.0 380-400

5. Картофель 1.2–2.7 800-900

6. Сладкое сорго 3.0–5.0 200-300

7. Кассава 1.5–6.0 700

8. Синтетический спирт 540 (min)

9. ТБО 20 куб. м/т

Мировой рынок этанола [3-13].

1. БРАЗИЛИЯ – 160 Евро/1куб. м

2. БРАЗИЛИЯ (безводный спирт) – 220 Евро/1 куб. м

3. США (Безводный спирт) – 250 Евро/1 куб.м

4. ЕВРОПА (безводный спирт из сах. св.) – 350–450 Евро/1 куб. м

Импорт спирта в Европу– 190 Евро/1 куб. м

Мировая потенциальная потребность в этаноле два миллиарда тонн в год.[17].

Современное мировое производство 32 миллион тонн в год: пищевой этанол 4 млн. куб. м, для химической промышленности – 8 млн. куб. м, топливный этаноли – 20 млн куб. м)

7% этанола производят химическим синтезом, 93 % – брожением; 60 % получают из сахара, 40 % – из зерна.

Бразилия в 1999 г. производила 6.5 млн. куб. м в год, что обеспечивало 13 % ее общих потребностей в энергоресурсах и 19 % потребности в жидком топливе, что позволило сэкономить 35.6 млрд. $ US. Для ДВС используется 26 % этанола в смеси с бензином, для дизельных двигателей – 3 %.

Современное (2004) производство этанола в Бразилии составляет 13 млн. куб. м (сахарный тростник) при потреблении 12.6 млн. куб. м в год.

1 баррель спирта – 25 $ US; 1 баррель бензина – 35 $ US.

США – 2-я страна по производству этанола – 5.5 млн. куб. м в год (2003).

В США– 90 % этанола получают из кукурузы, 8 % – из сорго.[18].

В 2004 году производство этанола в США составило 10.5 млн. т. На эти цели было использовано 13 % урожая кукурузы.

В 2008 г. в США было произведено 37.8 млн. т/год [3-19].

В 2013 г. совокупное недельное производство составило 6,337 млн. т, что представляет собой рекордный объем, произведенный за неделю с июня 2013 года – то есть рекордный, по меньшей мере, с начала текущего сезона.(В год может составить 330 млн. т)[3-20]

В штате Калифорния введен запрет на использование метилтрет-бутилового эфира. 70 % бензина, используемого на Юге штата и 57 % – на Севере штата, смешиваются с этанолом.

Добавление 1 части этанола в бензин ведет к экономии 3 частей нефти. Спирт является единственным возобновляемым жидким источником топлива, использование которого в качестве добавок к бензину не требует изменения конструкции двигателей.

К 2012–2015 годам потребление этанола в США составит 15.8 млн. т.

Кроме кукурузы необходимо искать другие сырьевые источники, например, древесная целлюлоза-полимер глюкозы., или традиционные источники сахарозы и крахмала: сахарная свекла (меласса, свекольный жом), сахарный тростник (багасса), сладкое сорго, картофель, и. т. д.

В этом плане представляет интерес Европейский проект «Сладкое сорго».

С 1 гектара из сладкого сорго можно получить:

1. Багассы (сухой) – 15 тонн

2. Зерна 5 тонн

3. Сахара 7 тонн

4. Листьев 1.88 тонны

5. Корней 2.3 тонны

6. Этанола 3–5 куб. м

Прогноз по производству и потреблению спирта к 2020 году: Мир – производство 233.6 млн. т, потребление – 250 млн. т; 120 млн. тонн/год, США потребление – 92.5 млн. т; Бразилия, потребление – 44.8 млн. т; ЕС – 8.3 млн. т; Китай– 6.15 млн. т./год.

В Таблице 10 нами приведены расчеты, показывающие уменьшение использования бензина в США и Европе за счет потребления топливного этанола. Расчеты показывают, что США в 2009 году уменьшилось потребление бензина на 10 %, в ЕС – на 3 %, а в Германии – на 4.4 %.

Бензин и этанол – мировые перспективы.

Таблица. 3-10

Уменьшение использования бензина за счет потребления этанола в США, странах ЕС, в том числе Германии в 2009 году (млн. тонн) [3-57]

Как видно из Таблицы 11, в странах ЕС-27 не выполняется Директива ЕС 2003/30 относительно потребления топливного этанола. Исполнительная власть Евросоюза предложила членам этой региональной организации довести к 2020 году до 20 % долю возобновляемых источников энергии, сократить на 20 % к уровню 1990 года объемы вредных выбросов в атмосферу и снизить на 20 % общие энергетические затраты. Так называемый план «20-20-20» предусматривает также постепенный переход стран ЕС с 2013 года на систему продажи квот на выбросы CO2, что, к сожалению, в ЕС не выполняется.

Таблица. 3-11

Потребление этанола и бензина в ЕС-27 (млн. тонн в год) [3-57]

 

3.14.5. Другие виды биотоплив

3.13.5.1. Биоэтил-три-бутиловый эфир (BIO-ETBE)

Получается смешиванием биоэтанола – 48 % по объему и третичного бутанола с последующим нагреванием в присутствии катализаторов (октановое число – 112), используется в смеси с бензином для любых двигателей.

3.13.5.2. Биодизельное топливо. – продукт эритрификации растительных масел.

Мировое потребление дизельных топлив – 145 л/человека в год.

Современное производство биодизельного топлива [3-21]: Мировое – 1.7 млн. тонн/год, Европейский Союз -1.5 млн. тонн/год, Восточная Европа – 0.1 млн. тонн/год, США – 0.07 млн. тонн/год.

Прогноз – к 2020 году мировое производство биодизельного топлива может составить 23 млн. тонн.

В Европе для получения биодизельного топлива используется рапсовое масло (1–1.5 т/га).

Растительное масло эритрифицируется метанолом (1 тонна масла + 100 кг метанола + 100 кг глицерина), добавляется в количестве 5 % к дизельному топливу.

СОВРЕМЕННЫЕ ДИЗЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ МОГУТ РАБОТАТЬ НА 100 % БИОДИЗЕЛЬНОМ ТОПЛИВЕ.

3.13.5.3. Биометанол – может стать предпочтительным топливом для топливных элементов.

БИОМЕТАНОЛ получают из син– газа, или смеси Н2 и СО, получаемых из биомассы в присутствии О2. (Производство синтетического метанола составляет 27 млн. т/год)

3.13.5.4. Биометил-три-бутиловый эфир (BIO-MTBE) – аналогичен BIO-ETBE), получают смешивание биометанола (36 % по объема) и третичного бутанола при нагревании и катализаторах.

3.13.5.5. Биодиметил эфир (BIO-DME) – добавляется к дизельному топливу (2 %) для улучшения его качеств. Может получаться из син-газа или чистого метанола в присутствии алюмосодержащих катализаторов.

Биосинтетические топлива: широкий ряд чистых биосинтетических топлив может быть получен из «БИОСИНГАЗА», получаемого из биомассы, или из Водорода и Угарного газа по реакции Фишера-Тропша.

3.13.5.6. Биоводород.

Продукт переработки биомассы. Это превосходное чистое топливо, очень энергоёмкое (в 3 раза выше, чем нефть на единицу веса) и не дает углекислого газа в атмосферу в процессе сгорания, как все углеросодержащие топлива.

Известно несколько путей его получения:

1. Брожение сахаросодержащего или крахмалистого сырья (багассы, мелассы и т. д.)

2. Электролиз воды при использовании биоэлектричества. Это очень эффективный процесс, но стоимость инвестиций и стоимость получаемого водорода относительно высока (2000–3000 Евро/тонну водорода с 4,5 кВт час/куб. м водорода).

3. Каталитическим изменением биосингаза – смеси угарного газа/водорода, получаемых из твердой биомассы. Стоимость 1700 Евро/тонна через паровое преобразование угля/ пеллет, получаемых из биомассы (30 Евро/dT).

4. Разделением сингаза на мембранах.

5. Из водного раствора биоэтанола (99 % превращения – 75 % конверсии энергии).

6. Из биометанола через паровое реформирование.

3.13.5.6. Производство биогаза (см. подробнее во 2-й части).

 

3.15. Потенциальные возможности развития биоэнергетики в России и современное состояние

 

Ежегодное количество органических отходов по разным отраслям народного хозяйства России составляет более 270 млн. т. Сельскохозяйственное производство дает 200 млн. т, из них 66.5 млн. т приходится на животноводство и птицеводство, 126 млн. т – на растениеводство. Лесо– и деревопереработка дают 70 млн. т, твердые бытовые отходы городов – 16 млн. т, осадки коммунальных стоков – 4.9 млн. т (все приведенные значения даются на абсолютно сухое вещество по итогам исследований по заказу Института энергетической стратегии РФ. 2006 г. Панцхава Е.С.).

Приведенные ниже потенциальные возможности производства биотоплив в России рассчитаны на основании запасов того или иного вида сырья, мощности существующих или существовавших относительно недавно производств, а так-же современных достижений отечественной науки и техники.

 

3.15.1. Использование древесины

Россия может стать крупным экспортером древесной щепы и пеллет для Европы и других стран.

В России сосредоточена четвертая часть мировых запасов леса -82 миллиарда куб. метров или 41 млрд. тонн древесины. В мире таких ресурсов нет. Лес в России занимает 2/3 территории – 1,2 млрд га.

Для переработки без нанесения ущерба для лесных плантаций можно в целях энергетики использовать, как минимум, до 0.16 % ежегодно, или 130 млн. куб. м = 65 млн. тонн. Стоимость экспорта такого количества может составить 3.9 млрд. Евро в год. Энергоемкость такого объема древесины составляет 1.1 ЕДж (1018)

Но для этого нужны очень крупные инвестиции для создания производственных мощностей и инфраструктуры.

Существующие промышленно используемые технологии переработки лесной древесины и других видов лигноцеллюлезного и гемицеллюлезных материалов для получения топлива можно в ХХI веке высоких технологий отнести к «варварским» способам, так как древесина – это прекрасное сырье для химической промышленности и производств широкого профиля товаров промышленного и бытового применения.

Для производства пеллет можно использовать солому злаковых и крупяных культур, масса накопления которой ежегодно составляет 80-100 млн. тонн. При использовании для производства пеллет только половины этой массы можно получить за счет экспорта до 1.2 млрд Евро.

Таким образом, потенциальные возможности от производства и экспорта пеллет в год для России могут составить 5.1 млрд. Евро.

 

3.15.1.1. Газогенерация и пиролиз

Проведенные исследования и имевшийся в стране опыт строительства газогенераторных установок в 30 – 40 – х годах позволили создать газогенераторы нового поколения, реализующие обращенный процесс слоевой газификации при атмосферно-воздушном дутье, что повышает КПД таких систем..

Наиболее активно ведется разработка и создание оборудования для газификации твердой биомассы с целью создания автономных тепло– и электростанций, работающих на генераторном газе.

Ведущей организацией по этому направлению является АО "Энерготехнологии" (г. Санкт-Петербург), научный руководитель проблемы профессор, доктор техн. наук Л.В.Зысин.

При отработке технологий и освоении производства термических газогенераторов для переработки биомассы в газообразное топливо с 1987 по 1995 гг. были проведены комплексные исследования по кинетике процессов термической газификации различных видов растительной биомассы: отходов деревообработки, лесосечных отходов, рисовой лузги, лигнина, твердых бытовых отходов, торфа и т. д.

Газогенераторы, объединенные в один энергетический комплекс с водяными котлами или дизельными электрогенераторами, используются для получения тепловой и электрической энергии.

Разработан типоразмерный ряд газогенераторов с тепловой мощностью 100, 200, 600, 3000 и 5000 кВт. Освоено производство опытных серий газогенераторов тепловой мощностью 100 и 200 кВт. Успешно прошли испытания газогенераторы на 600 и 3000 кВт и осуществляется подготовка к их серийному производству. Созданы и испытаны горелочные устройства для сжигания генераторного газа, топочные устройства.

По техническим характеристикам созданные газогенераторы отвечают современному мировому уровню, что подтверждается интересом к ним фирм Швеции, Финляндии и Израиля.

Реализация обращенного процесса газификации позволила в 8-10 раз снизить смолосодержание генераторного газа, что позволяет использовать его в дизельном двигателе при минимальной очистке. При переходе на генераторный газ мощность двигателя практически не меняется, существенно улучшаются экологические показатели энергетических установок, на 40–50 % повышается их моторесурс.

На базе таких газогенераторов могут создаваться автономные, не зависящие от централизованного энергоснабжения установки или станции для тепло– и электроснабжения потребителей в любых регионах страны, имеющих сырье и лишенных энергоснабжения. К этим регионам прежде всего относятся районы Сибири, Крайнего Севера, а также большинство сельских районов, располагающих отходами лесопроизводства (опилки, кора, щепа, хлысты, пни) и растениеводства (солома любая, стебли подсолнечника, кукурузы и т. д. – всего до 360 млн. куб. м).

АО "Энерготехнология" в рамках ГНТП России "Экологически чистая энергетика" создало две газогенераторных станции.

1. Газогенераторную станцию теплоснабжения мощностью 200 кВт (т), включающую слоевой генератор прямого процесса, теплогенератор с горелочным устройством для горячего водоснабжения. Станция предназначена для обеспечения горячей водой 20 коттеджей с площадью отапливаемых помещений по 150 м2 каждый. В качестве сырья для газификации будут использоваться твердые бытовые отходы или их смесь с иловыми осадками очистных сооружений при интегральной влажности до 60 %.

Характеристики станции следующие: диапазон регулирования мощности 80-250 кВт; расход топлива (по сухому веществу) на номинальном режиме 80 кг/ч; низшая, теплота сгорания генераторного 4 МДж/м (при нормальных условиях); держание влаги в генераторном газе до 25 % об.; потребляемая электрическая мощность не более Вт.

2. Газогенераторную станцию тепло– и электроснабжения тепловой мощностью 600 кВт, включающую слоевой газогенератор обращенного процесса, систему очистки генераторного газа, водогрейный котел и дизельгенератор мощностью 299 кВт. Станция предназначена для автономного обеспечения теплом и электроэнергией,200-квартирного дома. Сырье для газогенерации – все виды органосодержащих отходов при влажности не более 60 %.

Характеристики станции:

• номинальная мощность при электрической нагрузке 180 кВт; номинальная мощность при тепловой нагрузке 450 кВт; диапазон регулирования электрической мощности от 0 до 220 кВт; расход биотоплива (сухое вещество) на номинальной нагрузке 240 кг/ч; расход дизельного топлива для "подсветки" на номинальной нагрузке 5 г/кВт;

• низшая теплота сгорания генераторного газа 4,5 МДж/м3 (при нормальных условиях);

• содержание влаги в генераторном газе до 30 % об.;

• потребляемая электрическая мощность на собственные нужды станции не более 30 кВт (15 %).

Коэффициент использования теплоты генераторного газа при выработке тепловой энергии 85 %, при комбинированной выработке тепловой и электрической энергии 80–84 %.

Благодаря применению обращенного процесса газификации на 20 % снижается металоемкость теплоэлектрической установки.

В этой области биоэнергетики Россия имеет определенные реальные успех в создании современного оборудования для газификации твердой биомассы (древесины, лузги, ТБО).

Компанией «ЭНЕРГОТЕХНИКА» (Санкт-Петербург) создано несколько типов газогенераторов.

Газогенератор Г-3М. Мощность 4 МВт, Топливо лузга подсолнечника, расход топлива – 30 т/час, к.п.д. – 86 %, место установки – г. Пологи Запорожской области Украины.

Газогенератор Г-50. Мощность – 100 кВт, расход топлива 40 кг/час, к.п.д. – 76 %, выход сухого газа – 70 куб. м/час.

2.3. Газогенератор УТГ-600. Мощность 600 кВт, к.п.д. – 83 %, выход сухого газа – 500 куб. м/час, расход топлива – 380 кг/час.

Рис. 3-15. Газогенератор УТГ-600.

При переработке вышеуказанных потенциальных объемов древесины и соломы методами газификации в «синтез-газ» можно получать в год до 85 млрд куб. м «синтез-газа» на сумму 15 млрд. Евро [3-33].

 

3.15.1.2. Получение этанола

 

Экспорт транспортного этанола также может стать в перспективе серьезным источником валюты и экологически чистым энергетическим товаром России на международном топливном рынке.

В 2002 году в России произведено из пищевого сырья 1.31 млн. куб. м этанола, производство синтетического этанола – 0.15 млн. куб. м, технического гидролизного этанола составило 0.044 млн. куб. м.

Россия располагает мощностями, использующими гидролизные технологии, позволяющими производить до 0.2 млн. т гидролизного спирта.

Однако, гидролизные технологии, основанные на использовании серной кислоты, являются экологически вредными.

Необходимо разрабатывать современные экологические чистые экологии эффективного разложения древесины на целлюлозу (полимер глюкозы) и лигнин.

Другими видами сырья, обеспечивающими производство этанола в России могут быть:

• меласса (отходы сахарного производства),

• картофельный крахмал,

• сладкое сорго.

 

3.15.1.2.1. Меласса

Объемы производства мелассы в 2013 году составил 1.56 млн. тонн. Из 100 кг мелассы можно получить 30 л этанола, или из 1.56 млн. тонн – 468 млн. л = 468 тыс. м3 или 390 тыс. т.

Рис. 3-16. Сахарная свекла.

Стоимостью 309 млн. $ US. (Средняя стоимость 1 литра = 0.66 $US [3-34]).

Сырьем для производства этанола может быть также использован свекловичный жом. Объемы его производства в 2013 году составили 31.2 млн. тонн. Выход этанола может составить 681 тысяч куб. м или 565 тыс. т на сумму 450 млн. $ US.

Итого общий выход этанола из отходов производства сахара может составить 1149 тысяч куб. м на общую сумму – 759 млн. $ US.

Для производства этанола можно использовать непосредственно сахарную свёклу, урожай которой в 2013 голу в России составил 39 млн. тонн, при содержании сахара в ней 16 %, выход этанола мог бы составить 3.99 млн. куб. м на сумму 2.6 млрд. $ US.

 

3.15.1.2.2. Картофель

Вторым сырьевым источником крахмала для производства этанола в России является картофель. Из 1 тонны картофеля можно получать до 60 л этанола. При урожае картофеля в России в 2012 году в объеме 29.3 млн. тонн потенциальный объем этанола может составить 1.76 млн. куб. м на сумму 1.16 млрд.$ US.

Картофель – культура широко распространенная в России в регионах рискованного земледелия. Производство его для технических целей, например для производства этанола, может оказать существенное влияние на подъем экономики в этих регионах.

Для того чтобы выйти по производству этанола в объемах современного его производства в США в России нужно засевать картофелем до 15 млн. га.

 

3.15.1.2.3. Сладкое сорго

Третьим потенциальным сырьем для производства этанола в России может стать сладкое сорго, культивируемое на Северном Кавказе, Дальнем Востоке и в Поволжье.

Урожай сладкого сорго – 20–30 т/га. Из 1 тонны массы сорго получают 800–850 литров сока с содержанием 20 % углеводов, или можно получить до 80 литров этанола, или с 1 га – 2 куб. м на сумму 1320 $ US.

Таким образом, перспектива развития производства транспортного этанола в России с последующим его экспортом достаточно оптимистичны. Но, совершенно очевидно, что основным сырьем для его производства в России должна стать древесина, что требует создания современных технологий ее разложения на лигнин и целлюлозу.

 

3.16. Получение биоводорода

Один из методов получения биоводорода из биомассы – это бутиловое или ацетоно-бутиловое брожение сахарозы или крахмала.

3.6.1. Ацетоно-бутиловое брожение (Cl. Acetobutylicim)

2 М Глюкозы = 1 М Бутанола + 1 М ацетона + 4 М Водорода + 5 М СО2

На 1 тонну мелассы образуется 80 куб. м водорода, или на все произведенную мелассу в 2013 году– 124.8 млн. куб. м

С 1 гектара плантаций сахарной свеклы (мелассы) можно получить до 140 куб. м водорода.

Дополнительно к водороду с 1 тонны мелассы получают до 114 кг бутанола до 36 кг ацетона, или со всего годичного объема мелассы – Бутанола 177840 тонн, Ацетона -56160 тонн.

4.2 Бутиловое брожение (Cl. Butylicum)

3 М Глюкозы = 1 М Бутирата + 1 М Ацетата + 6 М СО2 + 9 М Водорода + 4 М Воды

На 1 тонну мелассы можно получить до 140 куб. м Водорода, или на всю произведенную мелассу в 2013 году можно получить 218 млн. куб. м Водорода, а с 1 гектара плантаций сахарной свеклы(меласса) – 315 куб. м.

В СССР до конца 70-х годов ХХ столетия в эксплуатации находилось 4 ацетоно-бутиловых завода: в г. Грозном, в г. Нальчике, в г. Талица (Свердловской области) и в г. Ефремов (Тульской области). К концу 90-х годов остались Грозненский и Ефремовский заводы.

Ефремовский завод производил в сутки до 50 тонн растворителей (бутанол: ацетон: этанол = 13:4:1) и до 29 тысяч куб. м водорода, или в год: 15000 тонн растворителей и до 8.7 млн. куб. м водорода.

Грозненский завод– в сутки: 74 тонны растворителей и 43 тысячи куб. м водорода, в год: 12.9 млн. куб. м водорода и до 22 тысяч тонн растворителей.

К сожалению, весь образующийся водород в то время выпускался в атмосферу (углекислота шла на производство жидкой и твердой углекислоты).

Ефремовский ацетоно-бутиловый завод можно восстановить.

В конце 60-х годов ХХ столетия на Ефремовском ацетонобутиловом заводе (1967) и Грозненском АБЗ (1969) были введены в эксплуатацию два цеха по производству кормового витамина В-12 методом термофильного метанового брожения жидких отходов этих производств – барды (3000 куб. м/сутки) Кроме витамина В-12 каждый цех производил в сутки до 30 тысяч куб. м биогаза, который целиком использовался для производства тепловой энергии для всего производственного цикла.

Таким образом, в конце 60-х годов в СССР впервые в мире были созданы крупномасштабные промышленные производства биотоплив из биомассы (биовородород, биометан, биобутанол, биоацетон и биоэтанол).

Картофель.

При ацетонобутиловом брожении с 1 тонны картофеля можно получить 25 куб. м водода, 340 кг Бутанола и 110 кг Ацетона.

С 1 гектара картофельных плантаций – 875 куб. м Водорода + 12 тонн Бутанола + 4 тонны Ацетона. При бутиловом брожении с 1 тонны картофеля – 42 куб. м Водорода, или с 1 гектара плантаций – 1500 куб. м водорода.

Сладкое сорго.

С 1 тонны стеблей сорго при ацетонобутиловом брожении можно получить до 30 куб. м Водорода + 114 кг Бутанола + 40 кг Ацетона.

При бутиловом брожении – 50 куб. м Водорода.

С 1 гектара плантаций сахарного сорго при ацетонобутиловом брожении: 900 куб. м Водорода + 3.4 тонны Бутанола + 1.2 тонны Ацетона, при бутиловом брожении – 1500 куб. м Водорода.

 

3.17. Биодизельное топливо – перспективы производства в России

Россия имеет все возможности для производства растительных масел с целью производства и экспорта биодизельного топлива. В России основными продуцентами растительных масел являются: подсолнечник, лен, горчица, небольшой объем занимают: кукуруза, соя и рапс.

Ведущее место занимает подсолнечник. В 2000 году Россия произвела более 4 млн. тонн растительных масел.

Очень перспективным для России является расширение посевов льна в Средней полосе (традиционное российское производство льна) с производством льняного волокна и семян для отжима масла, а также в Южных регионах: подсолнечника, сои, рапса.

В Мурманской области работают две крупных биогазовых установки с реакторами объемом в 50 м3.

 

Литература

3-1..Биотопливо – Википедия ru.wikipedia.org.

3-2. Панцхава Е.С., Березин И.В., Техническая биоэнергетика, // Биотехнология, 1986, № 3, с. 8–15.

3-3.O., Rosillo-Calle I7., 10 Biomass (Other then Wood)// Survey of Energy Resources., 1998, 18th Edition, p. 227–257.

3-4. Велихов Е., интервью, газета «Поиск», № 3, 13 марта 2001 г.

3-5. Zervos A., Lius Ch., Schrafer O., Tomorrow’s world// REW., 2004, v. 7, n 4, p. 238–245.

3-6. Bhattacharya S.C., Fuel for thought // REW, 2004, v. 7, n 6, p. 122–130. th

3-7. Raldow W., Research in the 6th FP-future, calls. Bioenergy enlarged perspectives. Budapest., 2003.

3-8. Sims R., Richard K., REW, 2004, n 2, p. 128–133.

3-9. FAO. Forestry, Fuels and the Future // Forestry Topics Report, 1996, n. 5, FAO Forestry Department Rome.

3-10. Rosillo-Calle F., Cortez L.A., Forward ProAlcochol 11: Re-viero of Brazilian National Bioethanol Program // Biomass and Bioenergy, 1996.

3-11. NUTEC, Federal Energy Research and Development for the challenges of the 21st Century // Report of the Energy Research and Devel-opment Panel, 1997. The President’s Committee of Advisors on Science and Technology., Washington DC.

3-12. Lourin A., Biodisel: Tomorrow’s Liquid Gö1d // Biologist 1998, 445. 11. p. 17

3-13. European Commission., 2004, Refined Biofuels Pellets and Briquettes (LAMNET).

3-14. Rakes Ch., Hotting up, REW, 2004, v. 7, n 4.

3-15. Kaizer W., Shimizu M., High– temperature gasification, Waste management world, 2004, n. 6.

3-16. Tonsing R., The new block gold, REW, 2004, v. 7, n 3.

3-17. Fulton L., Driving ahead, REW, 2004, v/ 7, n 4.

3-18. Экспресс-информ. Интернет– www.einform.com., ua.

3-19. Производство биоэтанола в США стремительно растет – Abercade abercade.ru.

3-20. Недельное производство биоэтанола в США побило… – ПроАгро www.proagro.com.ua/news/sng/4082037.htm.

3-21. Fulton L., Driving ahead, REW, 2004, v/ 7, n 4.

3-22. Экспресс-информ. Интернет– www.einform.com., ua.181/ 09.htmk.

3-23. Raavindranath N. H., Hall D.O., Estimates of feasible productivities of short rotation tropical forestry plantation // Energy for Sustainable Development, 1996, n 2, p. 14–20.

3-24. Natarajan I., Biogas for All // Wood Energy News, 1997, 12(2), p. 22., FAO, Bangkok.

3-25. Biomass for Energy – Danish Solutions // Danosh Energy Agency, 1996, Ministry of Environmental and Energy, Copenhagen.

3-26. Панцхава Е.С. и др., Биогазовые технологии, М., 2002.

3-27. Панцхава Е.С., Пожарнов в.а., Российские биогазовые технологии и их коммерциализация. // Сб. трудов Международной конференции «Энергоэффективность крупного промышленного региона», 79 июня 2004 г., Донецт, Украина.

3-28. Willumsen H., Landfill gas recovery plants., Waste management world, 2004.

3-29. Самая крупная в Дании установка по производству биогаза …www.lemvigbiogas.com/RU.htm

3-30. Denmark's largest biogas plant receives large amounts of fish waste…www.lemvigbiogas.com/GB.htm

3-31. Good practice examples on heat use of biogas plants in Denmark., www.e-sieben.at.

3-32. Биогаз в США, www.rosbiogas.ru.

3-33. Панцхава Е.С., Кошкин Н.Л., Использование энергии биомассы в России: Проблемы и перспективы. Тезисы германо – российской конференции, 1994, 24–26 октября, г. Фрайбург, ФРГ

3-34. Бензин и этанол – мировые перспективы – рынок топлива www.samoupravlenie.ru

3-35. Новости о конце света» Ресурсы планеты неисчерпаемы 2012over.ru

3-36. Биотопливо, Материал из Википедии – свободной энциклопедии ru.wikipedia.org/wiki.

3-37. 05 февр. 2007 г. – Биомасса ползет в бак, Галина Костина, expert.ru /expert/2007/05/biomassa.

3-38. Ольга Ракитова, Ресурсы, www.rg.ru.

3-39. «Новости о конце света» Ресурсы планеты неисчерпаемы 2012over.ru.

3-40. Иван Карташев, Зачем нужны биотоплива,

2007,www.computerra.ru.

3-41. Виды биотоплива 3-42. Отчет РЭА, 2011.

3-43. Биомасса(энергия биомассы) http://www.ecomuseum.kz) 3-44. Новости о конце света» Ресурсы планеты неисчерпаемы 2012over.ru/resursi-planeti-neischerpaemi.html.

3-45. Виды биотоплива

3-46. Биотопливо – альтернативный вид топлива 3-47. Альтернативное биотопливо – биодизель alternativenergy.ru.

3-48. Вместо бензина автомобили будут заправлять биотопливом, изготовленным из водорослей, biointernational.ru.

3-49. Я. М. Паушкин, Г. С. Головин, А. Л. Лапидус, А. Ю. Крылова, Е. Г. Горлов, В. С. Ковач, Получение моторных топлив из газов газификации растительной биомассы, www.promeco.h1.ru.

3-50. Биотопливо – плюсы и минусы, e-ypok.ru.

3-51. Наша позиция в отношении биотоплива 3-52. Автомобили: использование биотоплива, http://europa.eu. 3-53. Перспективы производства электрической энергии из биомассы …www.uabio.org

3-54. Поколения биотоплива., www.bionovosti.ru.

3-55. Third generation biofuels from microalgae – Formatex Research. www.formatex.info.…

3-56. Historical Overview – Biogas-china.org., www.biogas-china.org.

3-57. Бензин и этанол – мировые перспективы – рынок топлива., www.samoupravlenie.ru.

 

Ниже представлены короткие описания различных способов переработки биомассы: термохимические методы переработки, физикохимические методы переработки биомассы, а также биохимические методы.

Рис. 4–1. Технологии переработки биомассы. Переработка биомассы [4–1]

 

4.1. Термохимические технологии

 

4.1.1. Прямое сжигание

Древнейший, но наименее выгодный процесс с КПД получения тепловой энергии 15… 18 %. Однако существуют такие виды биомассы, которые выгоднее сжигать при условии создания тепловых агрегатов с более высоким КПД. К таким видам – биомассы относятся:

• солома злаковых и крупяных культур, стебли подсолнечника и кукурузы, из которых готовят топливные гранулы – пеллеты;

• некоторые виды древесины, древесные отходы;

• твердые отходы сельскохозяйственного производства;

• городские твердые отходы [4–2];

• отходы производства сахара из сахарного тростника – багасса, которая при прямом сжигании используется для производства пара, электричества, пульпы, бумаги, картона, корма для животных [4–3]. В 1995 г. во всем мире было получено около 200 млн. т багассы, из которых 95 % использовалось как топливо для производства сахара, заменив 40 млн т нефти.

Существует множество типов и размеров систем прямого сжигания биомассы, в которых можно сжигать различные виды топлива: птичий помет, соломенные тюки, дрова, муниципальные отходы.

Тепло, получаемое при сжигании биомассы, может использоваться для отопления и горячего водоснабжения, для производства электроэнергии и в промышленных процессах. Одной из проблем, связанных с непосредственным сжиганием, является его низкая эффективность.

Сжигание древесины может быть разбито на 4 фазы: – Кипение воды, содержащейся в древесине. Даже древесина, высушенная в течение нескольких лет, содержит от 15 до 20 % воды в клеточной структуре. – Выделение газовой (летучей) составляющей. Очень важно, чтобы эти газы сгорали, а не "вылетали в трубу". – Выделяющиеся газы смешиваются с атмосферным воздухом и сгорают под воздействием высокой температуры. – Сгорание остатков древесины (преимущественно углерод). При хорошем сжигании энергия используется полностью. Единственным остатком является небольшое количество золы.

Для эффективного сжигания необходимы три условия: 1. Достаточно высокая температура. 2. Достаточное количество воздуха. 3. Достаточное время для полного сгорания. [4–4].

Один кубический метр сухой древесины содержит 10 ГДж энергии (десять миллионов кДж). Для нагревания 1 литра воды на 1 градус требуется 4,2 кДж тепловой энергии. Для того, чтобы довести до кипения литр воды, потребуется менее 400 кДж, содержащиеся в 40 кубических сантиметрах древесины – то есть небольшая деревянная палочка. На практике на открытом огне потребуется, по крайней мере, в 50 раз большее количество древесины. Эффективность преобразования не превышает 2 %.[4–4] Разработка печей или котлов, способных эффективно использовать энергию топлива, требует понимания процессов сгорания твердого топлива. Первым процессом, потребляющим энергию, является испарение содержащейся в древесине воды. Для относительно сухого топлива на испарение используется лишь несколько процентов от общего количества выделяемой энергии. В самом процессе сгорания всегда имеются две стадии, потому что любое твердое топливо содержит две сгораемые составляющие. Летучие компоненты выделяются из топлива при повышении температуры в виде смеси паров и испаренных смол и масел. При сжигании этих продуктов образуются небольшие пиролизные струи. [4–4]. Современные устройства для сжигания (котлы) обычно производят тепло, пар, используемый в промышленных процессах, или электроэнергию. Устройство систем прямого сжигания варьируется в зависимости от варианта использования. Выбор топлива также влияет на дизайн и эффективность систем сжигания. Системы прямого сжигания биомассы подобны аналогичным устройствам, сжигающим уголь. На практике биомасса может сжигаться совместно с углем в небольшой пропорции в существующих угольных котлах. Биомасса, сжигаемая совместно с углем, представляет собой дешевое сырье, например отходы лесного или сельского хозяйства. Это помогает уменьшить выбросы в атмосферу, обычно связанные с использованием угля. [4–4]

 

4.1.2. Пиролиз

Термохимическая конверсия сырья без доступа воздуха при температуре 450…550 °C позволяет из 1 м3 абсолютно сухой древесины получать: 140… 180 кг древесного угля, не содержащего ни серы, ни фосфора и используемого для получения лучших сортов стали, 280.. 400 кг жидких продуктов – метанола, уксусной кислоты, ацетона, фенолов; 80 кг горючих газов – метана, монооксида углерода, водорода [4–2].

Разные виды высокоэнергетического топлива могут быть получены с помощью нагрева сухой древесины и даже соломы. Процесс использовался в течение столетий для получения древесного угля. [4–4].

Традиционный пиролиз заключается в нагреве исходного материала (который часто превращается в порошок или измельчается перед помещением в реактор) в условиях почти полного отсутствия воздуха, обычно до температуры 300 – 500 °C до полного удаления летучей фракции. Остаток, известный под названием древесный уголь, имеет двойную энергетическую плотность по сравнению с исходным материалом и сгорает при значительно более высоких температурах. В зависимости от влажности и эффективности процесса, 4-10 тонн древесины требуется для производства 1 тонны древесного угля. В случае если летучие вещества не собираются, древесный уголь содержит две трети энергии исходного сырья.[4–4].

Пиролиз может проводиться в присутствии малого количества кислорода (газификация), воды (паровая газификация) и водорода (гидрогенизация). Одним из наиболее полезных продуктов в этом случае является метан, представляющий собой топливо для производства электроэнергии с помощью высокоэффективных газовых турбин.

Более сложная техника пиролиза позволяет собрать летучие вещества. Кроме того, контроль температуры позволяет контролировать их состав. Жидкие продукты могут использоваться в качестве жидкого топлива. Однако они содержат кислоты и должны очищаться перед использованием.[4–4]. Получение древесного угля.

Производство древесного угля охватывает широкий диапазон технологий от простых и рудиментарных земляных устройств до сложных, обладающих большой мощностью реторт. Использование различных технологий приводит к получению древесного угля разного качества.

Типичные параметры качественного древесного угля: – Содержание золы – 5 %. -Содержание углерода – 75 %. -Содержание летучих компонентов – 20 %. -Плотность – 250–300 кг/м3. Физические параметры – Умеренно рыхлый.

Усилия по оптимизации производства древесного угля направлены на оптимизацию приведенных выше параметров при минимальных инвестициях и затратах на обслуживающий персонал и максимальном выходе угля по отношению к количеству древесины на входе. [4–4] Производство древесного угля состоит из шести главных этапов:

• Подготовка древесины.

• Сушка или уменьшение влажности.

• Предварительная карбонизация – уменьшение количества летучих компонентов.

• Карбонизация – дальнейшее уменьшение количества летучих компонентов.

• Завершение карбонизации – увеличение содержания углерода.

• Охлаждение и стабилизация древесного угля.

Первый этап состоит из сбора и подготовки основного сырья – древесины. [4].

Второй этап получения древесного угля выполняется при температурах от 110 до 220 °C, заключающийся в уменьшении количества воды в древесных порах, воды, содержащейся в клетках и химически связанной воды.

Третий этап проводится при температурах от 170 до 300 °C и называется этапом предварительной карбонизации. На этом этапе выделяются пиролизные жидкости в форме метанола и уксусной кислоты, а также малое количество окиси и двуокиси углерода.

Четвертый этап выполняется при температурах от 200 до 300 °C, когда образуется основная часть легких смол и пиролизных кислот. В конце этого этапа образуется древесный уголь, являющийся результатом карбонизации древесных остатков.

На пятом этапе при температурах от 300 до максимальной 500 °C завершается выделение летучих компонентов и увеличивается содержание углерода в угле. [4] На шестом этапе полученный уголь охлаждают в течение, по крайней мере 24 часов, чтобы увеличить его устойчивость и снизить риск самопроизвольного возгорания.

Наконец, финальный этап заключается в извлечении угля, упаковке, транспортировке, оптовой и розничной продаже потребителям. [4–4]

 

4.1.3. Газификация

Сжигание биомассы при температуре 900… 1 500 °C в присутствии воздуха или кислорода и воды с получением синтез-газа, состоящего из смеси монооксида углерода, водорода и стеклообразной массы (7… 10 % массы исходного материала), применяемой как наполнитель для дорожных покрытий. Газификация – более прогрессивный и экономичный способ использования биомассы для получения тепловой энергии, чем пиролиз. Синтез-газ имеет высокий КПД тепловой конверсии. Он может употребляться для получения метанола, этанола и углеводородов. [4–2].

Интерес к газификации вновь возрос во время энергетического кризиса 70-х годов, а затем упал вместе с снижением цен на нефть в 80х годах. По оценкам Мирового Банка (1989) всего лишь 1000–3000 газификаторов установлено в мире, преимущественно в Южной Америке для производства древесного угля. [4].

Газификация древесины.

Газификация древесины называется также газогенерацией или сухой перегонкой. Монооксид углерода, метиловый газ, метан, водород, газообразные углеводороды и другие компоненты в различных пропорциях могут быть получены с помощью нагрева или сжигания древесины в условиях отсутствия или недостатка кислорода. В разных процессах получаются разные продукты. Если при сжигании древесины обеспечить необходимое количество кислорода, то в процессе такого сжигания образуются двуокись углерода, вода, небольшое количество золы (соответствующее содержанию неорганических веществ) и тепло. Этот тип сжигания реализуется в обычных древесносжигающих печах. После начала процесса горения можно ограничить поступление воздуха. При этом горение будет продолжаться, но с частичным сгоранием. В случае полного сгорания углеводорода (древесина в основном состоит из углеводородов) кислород объединяется с углеродом, а также с водородом. В результате чего получаются CO2 (двуокись углерода) и H2O (вода). Ограниченное количество воздуха и тепло обеспечивают продолжение неполного сгорания. В этих условиях один атом кислорода объединяется с одним атомом углерода, в то время как водород взаимодействует с кислородом лишь частично. В результате получается монооксид углерода, вода и газообразный водород. Кроме того, образуются и другие компоненты, например, углерод в виде дыма. Под воздействием тепла разрываются химические связи в молекулах сложных углеводородов, содержащихся в древесине (а также в любом другом углеводородном топливе). Одновременно в процессе объединения атомов углерода и водорода с кислородом выделяется тепло. Таким образом, процесс поддерживает сам себя. Если количество воздуха недостаточно, то в результате такого процесса образуется достаточно тепла для разложения молекул древесины, но продуктами этого процесса будут монооксид углерода и водород – горючие газы. Другие продукты неполного сгорания – это преимущественно диоксид углерода и вода.[4–4].

В процессе возгонки древесины образуются метан, метиловый газ, водород, углекислый и угарный газы, древесный спирт, углерод, вода, а также многие малые добавки. Количество метана может достигать 75 %.[4–4].

При воздушной газификации производится генераторный газ (ГГ) с высшей тепотворной способностью 4…6 МДж/м3 (низкокалорийный газ). Этот газ можно сжигать в котлах, после очистки – в газовых двигателях или турбинах, но он не пригоден для транспортировки по рыбоводу, ввиду низкой энергетической плотности. Газификация с использованием кислорода дает средне-калорийный газ (10… 12 МДж/м3), пригодный для ограниченной транспортировки по трубопроводу и для использования в качестве синтез-газ с целью получения метанола и газолина. Среднекалорийный газ (15…20 МДж/м3) может быть получен также путем паровой (пиролитической) газификации. Это двухстадийный процесс, реализуемый в двух реакторах кипящего слоя. [5–5].

Основные технологии могут быть разделены на газификацию в плотном (неподвижном) слое с восходящим/ нисходящим/ поперечным движением газа, газификацию в кипящем слое (стационарный КС, ЦКС, два реактора КС) и газификацию в потоке. [5–5].

Особенностью реактора с НДГ – это движение газа вниз через опускающийся плотный слой сырья. Такая технология обеспечивает получение почти чистого генераторного газа с содержанием смол 50…500 мг/нм3. ГГ может использоваться в газодизельных электростанциях небольшой мощности. В гафикаторах плотного слоя с ВДГ биомасса, поступающая сверху вниз, сначала просушивается ГГ, который движется вверх. Затем твердое сырье пиролизируется с образованием углистого вещества, которое продолжает двигаться вниз и проходит стадию газификации. Парообразные продукты пиролиза уносятся вверх горячим ГГ. Смолы, содержащиеся в этих продуктах, конденсируются на холодном опускающемся сырье или уносятся из реактора произведенным газом. Таким образом, концентрация смол в генераторном газе увеличивается и может достигать 10…100 г/нм3. Ввиду значительного содержания смол, без дополнительной очистки газ может только сжигаться в котле, расположенном в непосредственной близости от установки. Газификаторы с ПДГ в работе во многом сходны с газификаторами с НДГ. Воздух или смесь воздуха с паром подводятся в реактор через боковую стенку в нижней части корпуса реактора. ГГ отводится из реактора с противоположной стороны. Широкого распространения газификаторы данной конструкции не получили. Отличительными особенностями газификаторов с КС по сравнению с реакторами плотного слоя являются высокие скорости тепло– и массопереноса и хорошее перемешивание твердой фазы, что обеспечивает высокие скорости реакции и близкую к постоянной температуру слоя. Частицы сырья должны быть более мелкими, чем при газификации в плотном слое, то есть необходимо дополнительное измельчение. Реакторы с КС – единственный вид газификаторов, работающих с изотермическим слоем сырья. Производится ГГ с содержанием смол 5…10 г/нм3, что является средним показателем между газификацией с ВДГ и НДГ. При газификации в ЦКС частицы, унесенные из реактора потоком газа, отделяются от ГГ в циклоне и возвращаются обратно в слой для увеличения степени конверсии углерода. Произведенный ГГ в большинстве коммерческих приложений используется для сжигания в котлах. Технология газификации биомассы в КС и ЦКС может быть реализована как при атмосферном, так и при высоком давлении. Преимущества этой технологии проявляются при использовании в крупных парогазотурбинных установках с внутрицикловой газификацией БМ. В этом случае не требуется дополнительного сжатия ГГ перед подачей в камеру сгорания газовой турбины. Установка с двумя реакторами КС позволяет получить ГГ с более высокой теплотворной способностью, чем в случае одного КС с воздушным дутьем. Первый реактор по своей функции близок к пиролизу. Теплота привносится в него горячим песком, циркулирующим между двумя ректорами. Смесь генераторного газа, густого вещества, золы и песка из газификатора поступает в циклон, где твердая фракция отделяется и попадает во второй реактор с КС (камеру сгорания). Углистое вещество сгорает, а нагретый песок возвращается в первый реактор. Произведенный генераторный газ имеет высокую теплотворную способность, однако содержит много смол, поскольку процесс конверсии сырья близок к пиролитическому. До настоящего времени имеется небольшой опыт работы с БМ в таких установках. Среди других видов реакторов можно выделить [4–5]:

• Реактор с движущимся слоем (горизонтальный слой, наклонный слой, многокамерная печь, печь со шнеком): механическое перемещение слоя сырья. Газификация в таком реакторе обычно является низкотемпературной.

• Вращающаяся печь: в основном используются для переработки отходов ввиду хорошего контакта газа и твердых частиц и хорошего перемешивания сырья. Необходима тщательно продуманная конструкция для избежания уноса твердых частиц.

• Циклонные и вихревые реакторы: высокие скорости движения частиц обеспечивают высокие скорости протекания реакций. Циклонные газификаторы отличаются простотой конструкции. Однако они лишь недавно стали применяться для конверсии биомассы, и технология еще не до конца отработана.

 

4.1.4. Коммерческие и демонстрационные установки газификации биомассы с целью выработки теплоты в Европейских странах и США [4–5]

 

Газификация БМ с целью получения тепловой энергии достигла коммерческого уровня. Наиболее известными сегодня являются газификаторы с ВДГ Bioneer компании Bioneer Oy (теперь Foster Wheeler Energia Oy, Финляндия) и реакторы PRM Energy Systems, Inc. (США), газификаторы с ЦКС Pyroflow компании A. Ahlstrom Oy (теперь Foster Wheeler Energia Oy) а также компаний Lurgi Energie und Umwelt (Германия) и TPS Termiska Processer AB (Швеция). Foster Wheeler Energia Oy входит в состав Foster Wheeler Corporation с главным офисом в США [3]. Кроме упомянутых выше, в мире имеется около 25 производителей газификаторов с НДГ и более 10 производителей газификаторов с КС и ЦКС; ряд компаний выпускает реакторы с ВДГ и другие виды. Производители газификаторов с НДГ – это, в основном, мелкие компании, выпускающие газификационные системы небольшой мощности (ректор + двигатель внутреннего сгорания) и уже соорудившие 1–2 демонстрационные установки. Среди крупных производителей газификаторов можно выделить PRIMENERGY Inc. (США, ВДГ), Babcock & Wilcox Volund ApS (Дания, ВДГ), KARA Energy Systems BV (Нидерланды, НДГ, КС), Kvaerner Pulping AB Power Division (Швеция, ЦКС), Future Energy GmbH (Германия, НДГ, газификация в потоке). На установках, производящих только тепловую энергию, генераторный газ, в основном, сжигается в котлах или используется в печах для обжига извести. [4–5].

 

4.1.4.1. Газификатор Bioneer с восходящим движением газа

Газификатор Bioneer с ВДГ разработан в Финляндии компанией VTT в сотрудничестве с SME Company. Bioneer проводит низкокалорийный генераторный газ с большим содержанием смол. Генераторный газ может применяться на тепловых станциях 1…15 МВтт и мини-ТЕЦ 1…3 МВтэ, на дизельных электростанциях после каталитической очистки. В 1982–1986 гг. были построены девять газификаторов Bioneer (4…5 МВтт) и введены в эксплуатацию на коммерческом уровне в Финляндии и Швеции: восемь – на тепловых станциях малой мощности, один – в паре с сушильной печью. Газификаторы Bioneer полностью автоматизированы. В настоящее время технология газификации, подобная Bioneer, предлагается также компанией Carbona Oy (Финляндия) [4–5].

В целом, газификация в плотном слое с ВДГ проявила себя как надежная и экономически жизнеспособная технология для использования на тепловых станциях небольшой мощности. Требования к качеству сырья соответствуют способу применения генераторного газасжигание в котле. Наиболее подходящим топливом является древесная щепа, тогда как газификация измельченной коры, опилок и измельченной строительной древесины вызывает определенные проблемы.

 

4.1.4.2. Газификатор Pyroflow с циркулирующим кипящим слоем

Газификатор Pyroflow с ЦКС разработан компанией A. Ahlstrom Oy. Первый коммерческий газификатор мощностью 35 МВтт был установлен в 1983 г. для обжиговой печи компании Wisaforest Oy (Финляндия). После этого еще три газификатора мощностью 15…35 Мвтт были установлены для коммерческого использования полученного газа в обжиговых печах в Швеции и Португалии.

Простая технология газификации, реализованная на ТЭЦ Kymijarvi, подходит только для древесной биомассы и чистой горючей части отходов. При такой техноогии много золы вместе с генераторным газом попадает в угольный котел. Использование ряда других потенциальных видов биомассы (солома, энергетические культуры) и отходов (промышленные, ТБО) практически невозможно, поскольку они содержат большое количество хлора, щелочных металлов и алюминия, которые вызывают коррозию и засорение трактов котла 4–5].

 

4.1.4.3. Газификатор Lurgi с циркулирующим кипящим слоем

Немецкая компания Lurgi Energie und Umwelt является известным разработчиком и производителем газификаторов с циркулирующим кипящим слоем. Первый коммерческий газификатор мощностью 27 МВтт был установлен в 1987 г. на крупной бумажной фабрике в Австрии и работал на древесной коре. Процесс газификации протекал при давлении около 1 бара, проведенный ГГ частично охлаждался и сжигался в печи для обжига извести. С 1996 г. реактор Lurgi 100 МВтт эксплуатируется на цементном заводе в Rudersdorf (Германия). Генераторный газ используется в кальцинаторе цементной печи, обеспечивая 30…40 % необходимой тепловой энергии. Зола применяется для производства цемента. Газификатор работает только на достаточно чистой биомассе (древесных отходах). Lurgi имеет также установки на электростанциях в Нидерландах и Италии.[4–5].

 

4.1.4.4. Газификатор PRM Energy Systems с восходящим движением газа

PRM Energy Systems (США) уже более 20 лет специализируется на коммерческих газификаторах ВДГ и имеет 19 установок, работающих на пяти континентах мира. Ежегодно на этих установках перерабатывается около 500 тыс. т биомассы, в основном, рисовой шелухи.

Как правило, произведенная тепловая энергия используется в промышленных сушильных аппаратах или в промышленных технологических процессах в виде насыщенного пара низкого давления. Ряд установок также вырабатывают электроэнергию. Первые два коммерческих газификатора были внедрены на крупной фабрике по переработке риса в 1982 г. в США. Произведенный ГГ сжигается в котле, замещая потребление природного газа, а пар используется в сушильных аппаратах. С 1985 г. газификаторы этой компании работают в Австралии, с 1987 г. – в Малайзии, с 1995 г. – в Коста-Рике.

Одна из последних установок PRM Energy Systems (4 МВтэ) построена в 2003 г. в Rossano (Италия). Она состоит из газификатора PRMES KC-18, системы охлаждения, очистки и контроля качества генераторного газа, а также шести газовых двигателей Guascor S.A. (Испания). Газификатор работает на жмыхе маслин (потребление 4500 кг/час) без какой-либо предварительной подготовки сырья.[5–5].

 

4.1.4.5.Другие газификаторы

Организация Wamsler Umwelttechnik GmbH (теперь Hugo Petersen Umwel-tengineering, Германия) имеет успешный опыт работ по созданию газификационных установок с нисходящим движением газа. В 1994 г. три такие установки тепловой мощностью 0,6…1,5 МВт были запущены в Германии, с 1998 г. работает демонстрационная установка мощностью 0,6 МВт. Wamsler также имеет опыт в очистке генераторного газа в скрубберах и эксплуатации газодизельного двигателя мощностью 200 кВтэ, работающего на генераторном газе.[5–5].

Институт технологий газа (Institute of Gas Technology, США) и фирма Enviropower Inc. (совместное предприятие Tampella Power Systems, Финляндия, и Vattenfall AB, Швеция), теперь Carbona Inc. (Финляндия), провели работы по доведению до коммерческого уровня технологии газификации БМ под давлением с использованием парогазотурбинных установок. В рамках этой программы в г. Тамере (Финляндия) была сооружена и в 1993 г. запущена пилотная установка с газификатором Tampella ЦКС мощностью 15 МВтт. Установка использовалась для отработки газификации под давлением и производства тепловой энергии. Было наработано более 2000 часов и переработано более 5000 т сырья. Сырьем для газификации служит смесь кокса, биомассы и угля. Биомасса представляет собой различные виды древесных отходов, солому и стебли люцерны. Сырье подвергается предварительному измельчению и просушке. Газификация протекает при температуре 850 °C и давлении 20 бар. [5].

Совместные работы Института технологий газа и Carbona Inc. закончились созданием коммерческого газификатора IGT RENUGASTM. Газификация в этом реакторе проходит при температуре 840…950 °C. Дутьем является смесь воздуха и пара. В настоящее время установка мощностью 8 МВтэ действует на сахарном заводе в Paia, Гавайи (мощность по сухому сырью 50 т/день).

 

4.1.5. Сжижение

Производство жидкого топлива из биомассы путем термической конверсии: термический пиролиз или газификация в присутствии катализаторов. Реакции происходит так, чтобы в качестве основного продукта получалось жидкое топливо, и при этом можно производить уголь и газ.

 

4.1.6. Быстрый пиролиз

Биомасса в течение короткого времени подвергается воздействию экстремально высоких температур (700… 1 400 °C), в результате которого происходят быстрое разложение исходных продуктов и образование новых соединений: этанола, пропилена, углеводородов, близких к бензину. Газ, получаемый с помощью быстрого пиролиза, содержит водород, метан, этилен, пропилен. Использование быстрого пиролиза биомассы выгоднее, чем пиролиза угля, так как биомасса содержит значительно меньше золы, и ее можно подвергнуть воздействию более низких температур. Этому направлению, очевидно, принадлежит будущее. [4–2]

 

4.1.7. Синтез

Каталитический синтез метанола из газов, образующихся при термической конверсии биомассы. Изменяя температуру и давление, а также используя уникальные катализаторы, кроме метанола можно получить целый ряд других соединений. Промежуточные соединения образуются и из лигнина. Из 1 т древесины можно синтезировать 410…540 л метанола. Если синтез производить в присутствии водорода, получающегося при электролизе воды, то выход метанола увеличивается до 1 400 л. [4–2].

 

4.1.8. Синтетические топлива

В газификаторах, использующих кислород вместо воздуха, можно получать газ, состоящий преимущественно из H2, CO и CO2. Представляет интерес то обстоятельство, что после удаления СО2 можно получить так называемый синтез-газ, из которого в свою очередь можно синтезировать практически любое углеводородное сырье. В частности, при взаимодействии Н2 и СО получается чистый метан. Другим возможным продуктом является метанол – жидкий углеводород с теплотворной способностью 23 ГДж/т. Производство метанола требует организации сложного химического процесса с высокими температурами и давлением и дорогого оборудования. Несмотря на это, интерес к производству метанола объясняется тем, что он представляет собой ценный продукт – жидкое топливо, способное непосредственно заменить бензин. В настоящее время производство метанола с использованием синтез-газа не является коммерческим. Однако технология существует для использования угля в качестве сырья. Она была развита странами, имеющими большой угольный потенциал, в периоды перебоев с поставками нефти. [4]. Разработан процесс ожижения растительной биомассы методом гидрогенизации при 350 °C под давлением водорода при 6,4 МПа. Из 1 т биомассы получают 24 кг синтетической нефти и 160 кг остатка типа асфальта.[6]. Одним из методов получения жидких моторных топлив является термическое растворение древесины в нефтяных фракциях при 380–450 °C под давлением 10,0 МПа. При этом происходит ожижение древесины.[4–6] В США имеется экспериментальная установка, где из 1000 кг древесной щепы получается 300 кг топлива типа сырой нефти. Процесс ведут при давлении 28 МПа и температуре 350–375 °C. В качестве катализатора применяют карбонат натрия.[4–6]

В ряде стран (Италия, ФРГ, Аргентина и др.) созданы специальные энергетические плантации быстрорастущих пород древесины и других пород на землях, не пригодных для сельского хозяйства.

Плантации ивы в Швеции на заболоченных землях дают 25 т древесины с 1 га в год. Сбор древесины осуществляется через 2 года специальными комбайнами в зимнее время года, когда заболоченная земля замерзает. С 1 млн. га получается 15 млн. т древесины в виде сухого древесного топлива, что эквивалентно 20 % энергии, необходимой для этой страны.

В рамках Западноевропейской программы развития возобновляемых энергоресурсов в Италии пущен крупный биоэнергетический комплекс, рассчитанный на ежегодную переработку 300 тыс. т быстрорастущей биомассы и органических отходов. Помимо газа и тяжелых остатков будет получено 20 тыс. т жидкого топлива. В Германии имеются большие плантации рапса, из которого получают смазочные масла и дизельное топливо.

 

4.2. Биотехнологии

 

К биотехнологиям относятся такие процессы, как: биогазовые технологии; производство этанола, бутанола, изобутанола; получение биодизельных топлив, жирных кислот, растительных углеводородов; производство биоводорода, получение тепловой энергии.

 

4.2.1. Биогазовые технологии

Биогаз – смесь метана и углекислого газа – продукт метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения, осуществляемого специфическим природным биоценозом анаэробных бактерий различных физиологических групп. Метановое брожение протекает при температурах от 10 до 55 °C в трех четко определенных диапазонах: 10…25 °C – психрофильное; 25…40 °C – мезофильное; 52…55 °C – термофильное; влажность составляет от 8 до 99 %, оптимальная 92–93 %.

Содержание метана в биогазе варьируется в зависимости от химических свойств сырья и может составлять от 50 до 90 %. В зависимости от природы исходного сырья изменяется и выход биогаза: от 200 до 600 л на 1 т абсолютно сухого вещества.

К настоящему времени разработано и применяется множество технологий получения биогаза, основанных на использовании различных вариаций температурного режима, влажности, концентраций бактериальной массы, длительности протекания биореакций.

 

4.2.2. Биогаз полигонов ТБО (свалочный газ)

Большая часть муниципальных отходов – твердых бытовых отходов (ТБО) – представляет собой биологические материалы, а их вывоз на полигоны создает пригодные условия для анаэробного сбраживания. ТБО имеют более сложный состав, чем сырье в биогазовых установках. Сбраживание происходит медленнее, обычно в течение нескольких лет, а не недель. Конечный продукт, известный под названием «свалочный газ», также представляет собой смесь преимущественно CH4 и CO2. Теоретически выход газа в течение «жизни» полигона может составить 150–300 м3 на тонну ТБО при концентрации метана от 50 до 60 объемных процентов. Это соответствует 5–6 ГДж энергии на тонну ТБО. На практике выход биогаза меньше.

Все больше свалочный газ используется для производства электроэнергии. В настоящее время большинство установок использует двигатели внутреннего сгорания, например, стандартные судовые двигатели. При типичном выходе газа, равном 10ГДж/час, могут быть установлены двигатель и генератор мощностью 500 кВт.[4–4].

 

4.2.3. Производство этанола

Этанол, а также другие низшие спирты, альдегиды и кетоны – продукты спиртового брожения разнообразных сахаро– и крахмалосодержащих субстратов. Однако наиболее распространенными видами сырья для производства этанола являются отходы сахарного производства: багасса или меласса (сахарная свекла), а также крахмал кукурузы, сорго, картофеля, пшеницы и риса. В России этанол получают также при брожении гидролизатов древесины (целлюлозы).

Наиболее значительный интерес в мире к жидким биотопливам (особенно к этанолу) для использования на транспорте появился в период с 1970 по 1990 г. и обязан этим высоким ценам на нефть. Однако и в настоящее время в развивающихся странах он имеет тенденцию к продолжению вследствие экологических проблем [4–3].

В некоторых странах этанол в чистом виде или в смеси с бензином (газо-хол) широко применялся в 70-е годы для двигателей внутреннего сгорания.

Наиболее значительный интерес в мире к жидким биотопливам (особенно к этанолу) для использования на транспорте появился в период с 1970 по 1990 г. и обязан этим высоким ценам на нефть. [4–7].

В последние годы разработаны технологии получения биоэтанола из синтез-газа, что значительно расширяет сырьевые возможности от лигноцеллюлозы до угля. Эти технологии включены в производственную цепочку получения углеводородов – биокеросина и биобензина.

Продуктивность 1 акра пашни по этанолу в США:

1 акр кукурузы = 150–300 бушелей кукурузы = 420–840 галлонов (1.9 – 3.8 куб. м) этанола.

2) 1 акр травы = 5-15 тонн растительного материала = 1501200 галлонов (0.7 – 5.5 куб. м) этанола.[8].

 

4.2.4. Биодизельное топливо

Биодизельное топливо имеет те же характеристики, что и обычные дизельные масла, которые могут использоваться в дизельных двигателях. Биодизельное топливо может быть получено из любого маслосодержащего растения – семян рапса, сои, кактусов и т. д… Преимущество биодизельного топлива состоит в том, что его производство основано на широко известных технологиях получения растительных масел с их дальнейшим метилированные и растительных углеводородов.

В 80-е годы возрос интерес к растительным углеводородам. Как правило, эффективные продуценты углеводородов и масел являются представителями тропической и субтропической флоры. Однако и в умеренном климате имеются культурные растения, семена которых содержат значительные количество масел, – подсолнечник, конопля, лен, рапс и др.

 

4.2.5. Получение тепловой энергии активным компостированием (микробное окисление)

Использование этого метода для утилизации твердой биомассы и, прежде всего, твердых органических отходов также может внести существенный вклад в энергетику, в частности, в производство тепловой энергии. Метод основан на процессе бактериального окисления твердых органических веществ с образованием тепловой энергии, которая повышает температуру пропускаемого воздуха до 80…90 °C. Путем компрессии температуру выходящих газов можно поднять до 110 °C. В некоторых странах, например, в Японии, разработаны опытно-промышленные установки КПД которых достигает 95 % [4–2].

К 2030 году потребление энергии в мире вырастет на 60 % [4–9]. Эта тенденция потребует увеличения производства различных видов энергоносителей и их источников.

Одна из особенностей решения этой проблемы в ХХI веке состоит в том, что энергопроизводство должно быть экологически чистым.

Все вышесказанное потребует увеличения вклада биомассы в общий энергобаланс.

 

4.3. Химико-каталитическая конверсия продуктов расщепления растительных полимеров в жидкие углеводороды

 

4.3.1.Применение биотоплива в авиации

15 июля 2011 г. немецкая авиакомпания Lufthansa запустила первый коммерческий рейс по маршруту Гамбург – Франкфурт – на – Майне на смеси традиционного керосина и биотоплива, произведенного финской компанией Neste Oil. Использование биотоплива NExNTL стало возможным в авиации после 1 июля 2011 г., когда данный вид топлива был одобрен ASTM International – Американским обществом испытаний и материалов.[4-10].

Neste Oil принимает активное участие в программе ЕС “Европейский план авиаперевозок на биотопливе, которая поставила цель использования биотоплива и других ВИЭ в авиации в объеме 2 млн. тонн к 2020 г. Lufthansa Airbus A321 с регистрацией D-AIDG будет летать по маршруту Гамбург-Франкфурт-Гамбург четыре раза в день. Один из его двигателей будет работать на 50/50 смесь регулярных топлива и биосинтетических керосин. Био-синтетических керосин, используемые Lufthansa, получается из биомассы, состоящей из ятрофы, рыжика(растение) и животных жиров.[4-11]. Ранее биотоплива в авиации были испытаны в ряде стран.

Штурмовик А-10 летает на смеси биотоплива и авиакеросина 29 марта 2010 г.

Рис. 4–2. «Военный Паритет».

26 марта штурмовик А-10 Thunderbolt II совершил первый полет с использованием в обоих двигателях топлива со смесью биотоплива и обычного авиакеросина JP-8. Полет состоялся на базе Эглин ВВС США, расположенного вблизи Вальпараисо (штат Флорида).

Это был первый полет летательного аппарата, вся силовая установка которого работала на биотопливе. Испытательный полет явился частью работ по разработке этого вида топлива (программа HRJ – hydrotreated renewable jet), который в отличие от обычного реактивного топлива горит чище, без выделения таких соединений как сера. Работами по созданию биотоплива занимается НИИ Дейтонского университета (штат Огайо).

В качестве биокомпонента послужило семейство растений камелина, родственное горчице, капусте и брокколи, но не используемое в качестве пищи. При сжигании биотоплива уменьшается выброс твердых частиц. Это событие знаменует собой важный этап программы разработки альтернативных топлив. Такой вид топлива пройдет сертификацию на самолетах F-15 Eagle, F-22 Raptor и C-17 Globemaster III.

К 2016 году доля использования в ВВС США альтернативных видов топлива должна составить 50 %. Как заявил помощник министра

ВВС по окружающей среде и логистике Терри Йонкерс (Terry Yonkers), полет штурмовика А-10 на альтернативном топливе «подчеркивает нашу приверженность по продвижению технологий по увеличению использования возобновляемых источников энергии и сокращения объемов импортируемой нефти». [4-12].

Королевские ВВС Нидерландов недавно провели успешные испытания полетов вертолета Apache на авиабазе Gilzen-Rijen, что в Нидерландах, в ходе которых один из двух двигателей вертолета питался от альтернативного биологического топлива. Ассистентом подготовки и проведения тестирования выступила Национальная аэрокосмическая лаборатория США (NRL). В качестве биотоплива Королевские ВВС использовали смесь в процентном соотношении 50/50 устойчивого биокеросина и стандартного реактивного топлива, используемого в авиации, – чтобы удовлетворить требованиям годности к лётной эксплуатации. [4-13]

Для проведения лётных испытаний биокеросин был произведен с использованием биомассы на основе морских водорослей в количестве 5 процентов и использованного растительного масла – 45 процентов от общего объема топлива для вертолета. В некотором смысле можно считать, что состоялась мировая премьера такого вида биотоплива для двигателей вертолета.

Во время тестового полета вертолета Apache аэрокосмическая лаборатория проводила различные измерения с использованием общей измерительной системы (GIS). Эта система измеряет данные о вертолете и сохраняет их для последующей обработки в системе Omega. В частности, полученные данные GIS о показателях вертолета позволили исследователям NRL определить, что оба двигателя работали в рамках допустимых пределов, и ни вертолет, ни экипаж не сталкивались с рисками безопасности во время полета.

По сообщениям агентства Интерфакс, 25 февраля 2011 г. самолет "Боинг-747" компании Virgin Atlantic, заправленный биотопливом, совершил первый пробный полет по маршруту Лондон – Амстердам. "Один из его четырех двигателей работал на топливе, полученном из растительной массы. Полет был призван доказать, что биотопливо не замерзнет на высоте свыше пяти тысяч метров", – сообщила в понедельник британская телерадиовещательная корпорация Би-би-си.

Десять авиакомпаний согласиться приобрести топлива для реактивных двигателей, полученные из биомассы.

Группа из 10 авиакомпаний, восемь, базирующихся в США (American Air-lines и United Континентальный Holdings, также включает в себя Alaska Airlines, FedEx, Frontier Airlines, JetBlue Airways,

Southwest Airlines и США Airways), а также Air Canada и Lufthansa, подписали письма о намерениях с Вашингтоном на основе топлива Solena приобрести будущих поставок топлива для реактивных двигателей, полученные исключительно из отходов биомассы.

Рис. 4–3. Боинг 777–200. [4-14].

Согласно плану, топлива будут изготовлены из переработанных городских и сельскохозяйственных отходов на заводе, который будет построен компанией Solena в округе Санта-Клара, штат Калифорния, в 2013 году, и доставляться в аэропорты в Сан-Франциско, Окленд и Сан– Хосе.

Из биомассы в 2015 году будет производить до 16 миллионов галлонов реактивного топлива поддержки деятельности авиакомпаний в трех аэропортах. В рамках проекта будут перерабатывать около 550 000 тонн отходов, которые в противном случае пойдет на свалку, в то же время производство топлива для реактивных двигателей с низким уровнем выбросов парниковых газов и местных загрязняющих веществ, чем топлива на основе нефти.

Источники сообщили, что на основе реактивного топлива из биомассы будет сожжено с традиционным реактивным топливом, возможно, до 50/50 смесь, и будут распределены между авиакомпаниями пропорционально в зависимости от их использования топлива в аэропортах.

За этим соглашением последует ряд других… Solena Group, а также передовые компании в области биоэнергетики и биотоплива, подписали соглашения в этом году с перевозчиками по всему миру. LOI с British Airways создадут первый в Европе завод по производству авиационного биотоплива в восточном Лондоне с целью преобразования 550000 тонн отходов в год, в противном случае, предназначенные для свалки мощностью на 16 миллионов галлонов реактивного биотоплива.[4-15].

После ввода в эксплуатацию в 2014 году этот завод стоимостью 200 млн фунтов будет конвертировать до 500,000 тыс. тонн отходов в год в 16 млн. галлонов авиабиотоплива, которого будет достаточно для питания 2 % своих самолётов на главной базе в Хитроу.

Аналогичный завод планируется построить в Австралии.

Компания Solena ведущая в мире по производству транспортных биотоплив уверена, что самолеты могут работать на чистом биотоплива без смешения с нефтяным реактивным топливом.

Эксперты уверены, что в ближайшем будущем авиационное биотопливо будет дешевле нефтяного из-за более высоких цен на нефть.

В качестве основного сырьевого источника для производства авиационных биолтоплив эксперты рассматривают морские и пресноводные водоросли. [4-15].

Производство реактивного биотоплива для всеобъемлющего использования в высокоскоростной авиации может быть ограничено объемом выращиваемых в мире сельскохозяйственных продуктов, содержащих растительные масла или углеводороды. Эту проблему удалось решить команде из Висконсинского Университета, штат Медисон, США.

Технология основана на деградации сахаров на левулиновую и муравьинную кислоты.

Эти кислоты далее под воздействием металлических катализаторов превращаются в гамма-валеролактон – (GVL), из которого получают реактивное биотопливо.

Каталитическая переработка гамма-валеролактона является ключом к будущим полетам и к замене природного углеводородного топлива на возобновимое.

Биологическое топливо – один из основных трендов последнего времени, наряду с «зеленой химией» и глобальным потеплением. Ученые соревнуются между собой в разработке наиболее эффективных методов переработки растительного сырья как восполняемого источника энергии и наименее энергозатратных методов выделения топлива из ферментационных смесей.

Разработанная методика позволяет извлечь из исходной биомассы до 95 % энергии и не требует больших количеств водорода.

Группа исследователей, сообщивших об этом открытии, специализируется на переработке целлюлозной биомассы в транспортные топлива. Однако до этого в их методиках был большой недостаток: получаемые сахара расщеплялись до левулиновой (4-оксовалериановой) и муравьиной кислот. Существующие методики не позволяли перерабатывать эти соединения в полезные топлива.

Ученым удалось подобрать металлический катализатор, в присутствии которого левулиновая и муравьиная кислота образуют гамма-валеролактон. На первом этапе гамма-валеролактон расщепляется на бутен и углекислый газ.

На втором этапе из бутена получают алкеновые олигомеры. Авторы методики утверждают, что ее использование возможно в промышленных масштабах и не требует особенно сложного оборудования или катализаторов.

Об актуальности исследования говорит то, что до сих пор из биомассы чаще всего получают лишь этанол и другие низшие спирты. Они в больших объемах могут добавляться в бензин, не изменяя свойств и достоинств автомобильного топлива, однако совершенно не могут использоваться как авиатопливо из-за низкой энергоемкости. Кроме того, и для автомобилей спирты могут служить лишь добавкой к акантовому (углеводородному) топливу. А вот углеводороды, производимые из гамма-валеролактона, практически, эквивалентны используемым в современной инфраструктуре (с той разницей, что алканы – углеводороды насыщенного ряда, а алкены – ненасыщенного, и для получения алканов их нужно гидрировать). До сих пор наибольшую проблему для внедрения нового топлива представляла высокая цена гамма-валеролактона, так как методики его получения были дорогими и несовершенными. Теперь ученые работают над созданием более эффективных и простых методик его промышленной выработки. В качестве сырья для получения данного эфира рассматриваются такие биологические объекты, как древесина, стебли и листва кукурузы, прутьевидное просо и другая непищевая биомасса. «Как только будет найден эффективный способ промышленного синтеза гамма-валеролактона, путь к неограниченному получению возобновляемого авиатоплива будет полностью открыт», – заключают авторы работы.

 

4.3.2. Применение биотоплива в других видах транспорта

В мире существует три лидера по использованию жидкого моторного биотоплива: Бразилия, США и Европейский Союз. И каждый имеет свои мотивы перевода транспорта с бензина на биодизель или биоэтанол. Бразилия использует этанол из сахарного тростника, чтобы не зависеть от импорта нефти.

В США распространяется этанол из маиса (кукурузы), для того чтобы поддержать местное сельское хозяйство, с одной стороны, а с другой – улучшить состояние окружающей среды.

Европейский Союз, внедряя новые биотопливные технологии, преследует сразу несколько целей: ликвидация зависимости от импорта нефти, предотвращение глобального потепления климата, выполнение обязательств по Киотскому Протоколу, а также развитие сельского хозяйства. В 2010 году ЕС намерен использовать биотопливо в 5,75 % автомашин. К 2020 году эта цифра должна увеличиться до 8 %. Пока доля моторного биотоплива в странах Европейского Союза – порядка 2 %.

Таблица 4-1

Прогнозы ЕС по замене биотоплива

В последнее время начали бурно обсуждать новый вид биотоплива: BtL (Bio-mass-to-Liquid). BtL производят из древесины и отходов деревообработки (промежуточный продукт: син-газ). Преимущество этого вида топлива перед биоэтанолом и биодизелем состоит в том, что, в отличие от упомянутых продуктов, при производстве BtL древесина полностью перерабатывается.

В то же самое время BtL может производиться из любого вида биомассы, к тому же, по заявлению производителей этого топлива, для перевода автомобилей на него не требуется модификация современных двигателей.

По оценке немецких ученых, если BtL займет 20 % рынка ЕС, то в Европе можно уменьшить выбросы CO2 на 200 млн тонн. С другой стороны, в Германии, например, наиболее популярным видом биотоплива остается пока биодизель. В 2004 году немцы произвели 1,1 млн тонн биодизеля (в основном из рапса). 323 тысяч тонн было продано в самой Германии. Для сравнения, потребление обычного дизеля в этой стране составляет 30 млн тонн в год.

Топливные компании (Shell, Total, Neste) и автомобильные гиганты со всего мира (DaimlerChrysler, Volkswagen, Volvo (Ford) открывают программы по переводу автомобилей с традиционного топлива на возобновляемое.

DaimlerChrysler сейчас активно говорит о внедрении в своих автомобилях биотоплива – BtL. Ford недавно заявил о начале продажи в Швеции нового поколения Focus и Focus C-MAX 1.8 в версии FFV на биотопливе. FFV могут ездить как на биоэтаноле, так и на бензине.

General Motors уже продает в Швеции “экологичные” версии моделей Saab и Opel. Обе модели также могут работать на биоэтаноле (который содержит 15 % бензина), на бензине и на смеси этих видов топлива в любой пропорции.

 

4.4. Получение моторных топлив из газов [4-16]

До середины XIX в. человечество использовало в качестве теплоносителя для бытовых и промышленных целей (металлургия, паровые машины и др.) почти исключительно биомассу растений и продукты ее переработки (древесный уголь).

При использовании в качестве энергоносителя газа, нефти и угля возникает ряд проблем, связанных с ограниченными запасами горючих ископаемых, в особенности нефти. Помимо истощения запасов нефти важными проблемами являются перевозка на большие расстояния и хранение всех видов топлив.

В Норвегии применяются передвижные установки на лесосеках, где перерабатываются растительные отходы методом пиролиза. Производительность отдельной установки от 10 до 30 т древесного угля в сутки [4-16]. При пиролизе из 1 т отходов (щепа) получается 280 кг угля, 200 кг смолы пиролиза и около 222 кг газообразного топлива. Газообразное топливо используется для поддержания процесса пиролиза. Смола пиролиза применяется как котельное топливо или подвергается гидрооблагораживанию под давлением водорода для получения бензина и дизельного топлива. Стационарные установки пиролиза могут иметь до 40 печей и рассчитаны на переработку 300–350 тыс. т органических отходов в год [4-16].

В ряде стран (Италия, ФРГ, Аргентина и др.) созданы специальные энергетические плантации быстрорастущих пород древесины и других пород на землях, не пригодных для сельского хозяйства.

Плантации ивы в Швеции на заболоченных землях дают 25 т древесины с 1 га в год. Сбор древесины осуществляется через 2 года специальными комбайнами в зимнее время года, когда заболоченная земля замерзает. С 1 млн. га получается 15 млн. т древесины в виде сухого древесного топлива, что эквивалентно 20 % энергии, необходимой для этой страны [16].

В рамках Западно-Европейской программы развития возобновляемых энергоресурсов в Италии пущен крупный биоэнергетический комплекс, рассчитанный на ежегодную переработку 300 тыс. т быстрорастущей биомассы и органических отходов. Помимо газа и тяжелых остатков будет получено 20 тыс. т жидкого топлива. В Германии имеются большие плантации рапса, из которого получают смазочные масла и дизельное топливо.

В Латинской Америке, США и Франции из биомассы (отходов сахарного тростника, кукурузы и др.) получают этанол, используя обычно процессы брожения. В Бразилии получается более 10 млн. т этанола, который применяют как основное топливо для автомобилей (96 %-ный этанол) или в смеси с бензином – топливо “Газохол” (22 % этанола с 78 % бензина). В США из кукурузы получают более 3 млн. т этанола, который применяют в качестве добавки к бензину (5—10 %) для повышения октанового числа и улучшения процессов сгорания.

Для использования в моторных топливах предложены производные метанола и этанола, которые не координируют аппаратуру, безвредны, хорошо смешиваются и имеют высокие антидетонационные свойства [4-16]:

В настоящее время в качестве добавки для повышения октанового числа используют метилтрет-бутиловый эфир.

Разработан новый процесс синтеза нормальных парафинов и изопарафинов, а также олефинов из нового типа исходного сырья – растительной биомассы. Биомасса превращается газификацией воздухом в генераторный газ, содержащий оксид углерода и водород. В газе содержится около 50 % азота, поэтому синтез из такого газа компонентов моторных топлив состава С5 – С22 является принципиально новым. Ранее во всех технологических процессах (Фишера – Тропша, Сасол, Мобил) применяли концентрированный газ, состоящий только из СО и Н2.

Парафиновые углеводороды неразветвленного строения являются хорошими компонентами дизельных топлив. Для производства высокоцетановых моторных топлив [4-16] желательно смешение фракций синтетических парафинов с цетановым числом 77–90, полученных по методу Фишера – Тропша с дизельными фракциями нефти или продуктов гидрогенизации угля, которые имеют цетановое число 40–50.

Продукты синтеза, полученные посредством газификации биомассы, могут заменить нефтехимическое сырье.

Жидкие олефиновые углеводороды, которые получаются при синтезе, могут найти применение, помимо топливного назначения, для производства синтетических моющих средств. Из фракции углеводородов С2-С22, полученной биомассы, в процессе пиролиза на ванадиевом катализаторе могут быть получены этилен, пропилен и бутилены [4-16]. При каталитическом пиролизе образует до 40–50 % этилена и 6065 % суммы газообразных олефинов на исходное сырье. Проверка этого процесса в опытно-промышленных условиях [4-16] показала что в зависимости от применяемого сырья этилен образуется с выходом от до 40 % и олефины 60–65 %. При термическом пиролизе выход этилена обычно не превышает 25–26 %.

Таким образом, в результате переработки растительного сырья могут бы получены жидкие углеводороды – компоненты моторных топлив и олефины, частности этилен для процессов нефтехимического синтеза.

Цель настоящего исследования – разработка процесса получения компонентов жидких топлив (бензина, дизельного топлива) из продуктов газификации растительной биомассы СхНуОг при 900-1500 °C. При этом образуется газ, содержащий оксид углерода, водород, диоксид углерода и азот:

CxHyOz + O2 + N2 = CO, H2, CO2, H2O, N2

Состав продуктов газификации зависит от исходного сырья (древесная щеп солома, отходы технических культур и др.). Обычно состав газа находится пределах, %: СО 15–25, Н2 12–15, СО2 7-12, N2-50. Может присутствовать небольшое количество других примесей, например СН4.

Характерной особенностью газов газификации биомассы воздухом является большое содержание азота – 45–55 %. Ранее полагали, что азот будет препятствовать синтезу жидких углеводородов из СО и Н2.

Каталитическую газификацию биомассы древесной пульпы проводят с помощью водяного пара с подводом тепла извне в трубчатых печах на никелевых катализаторах. В этом случае из 1 т биомассы получается 150–160 кг водород диоксид углерода отделяется. В процессе пиролиза расходуется 103,0 кД тепла на 1 молекулу водорода, а при сжигании 1 молекулы выделяете 285 кДж.

В промышленности для процесса Фишера – Тропша синтез-газ получают каталитической конверсией метана с водяным паром при высоких температурах.

Газификация биомассы с водяным паром несколько сложней, чем газификация с применением воздуха, так как газогенераторы такого типа не разработаны.

Рассмотрим синтез углеводородов из генераторных газов газификации воздухе растительного сырья. Газификация воздухом (при неполном сгорании) – известный технологический процесс переработки твердого органического сырья – биомассы, торфа, бурого угля.

Газы газификации воздухом в зависимости от исходного сырья [4-16] имеют следующий состав, об.%:

Газогенераторные установки, где в качестве топлива применяли биомассу – древесину, отходы хлопка, кукурузы и др., а также уголь, ранее широко использовались. В 40-х и 50-х годах имелось более 200 тыс. различных стационарных и передвижных машин [4-16] и были сэкономлены миллионы тонн нефти. В 1980–1990 гг. газогенераторную технику использовали только в Канаде и США на лесозаготовках.

В Западной Европе в 1980–1990 гг. при уничтожении городского мусора применяли процессы газификации, получая генераторный газ, содержащий СО – 22, Н2 12–15, N2 45–50. Установки такого типа фирмы “Фест-Альпине” (Австрия) экологически чистые, а газ может применяться для получения жидкого топлива.

 

4.5. Газификации растительной биомассы в России[16]

В России разработан новый метод получения экологически чистых жидких моторных топлив из растительной биомассы. Топлива не содержат серу, а выделяющийся при их горении диоксид углерода вновь участвует в образовании растений. Топлива получаются из газов газификации биомассы воздухом при невысоком давлении и температуре.

В качестве аналогов газа газификации в настоящей работе использовали смесь газов следующих составов (об.%): СО – 30, Н2 – 15, CO2 – 5, N2 – 50; СО – 15, Н2 – 20, CO2 – 15, N2 – 50; СО – 28, Н2 – 15, СО2 -7, N2 – 45.

Опыты проводили при давлениях 0,1 и 1 МПа и температурах от 180 до 230 °C. Применяли промышленный Co-содержащий катализатор и катализатор, который готовили смешением основного карбоната кобальта с носителем. Все катализаторы восстанавливали в потоке водорода при 450 °C. Опыты проводили при объемной скорости (о. с.) от 50 до 200 ч-1.

Для проведения большей части опытов был выбран Co-катализатор, активный в процессе синтеза углеводородов из водяного газа (СО-Н2) по Фишеру – Тропшу.

При увеличении давления с 0,1 до 1,0 МПа в присутствии Со – содержащего катализатора выход жидких углеводородов (>С5) в отдельных опытах достигал 52 г/м3 (без избыточного давления не превышал 31 г/м3). Если отнести этот выход к 1 кг использованных для газификации отходов древесины, то при 20 %-ной влажности выход газа составляет 2,6–3 м3/кг. Если принять выход 2,6 м3/кг, то из 1 т отходов можно получить от 80 до 135 кг жидкого топлив. С учетом возможных потерь можно принять, что 1 г жидкого топлива будет получаться из 8—10 т сырья. На этих примерах показано, что из газов газификации растительного сырья воздухом можно получить компоненты жидкого топлива, бензиновые и дизельные фракции, хотя в газах синтеза содержится до 50 % азота.

Выход жидких углеводородов из 1 м3 газа (состав, об.%: СО 33, CO2 33, Н2 33) достигает 114–117 г/м3, общий – 160 г/м3. Общий выход (с учетом газообразных продуктов) достигает 170–190 г/м3, аналогично процессу Фишера – Тропша из СО-Н2. Однако газ каталитической газификации биомассы с водяным паром содержит до 20–30 % CO2, который, вероятно, также частично входит в реакцию.

Была рассмотрена возможность создания передвижных опытных установок по переработке растительной биомассы в компоненты моторного топлива. Они включают газификацию биомассы воздухом при 900-1500 °C, очистку газа и синтез жидких углеводородов.

Для синтеза можно использовать также газ, полученный газификацией растительной биомассы паром.

Таким образом, представлен процесс получения жидких моторных топлив из растительного сырья – отходов сельского хозяйства, лесодобычи и лесопереработки, который можно осуществить на передвижных или стационарных установках.

Процесс состоит из газификации органического сырья (неполного сгорания) воздухом при 900-1500 °C, в результате чего образуется газ, содержащий СО, Н2, СО2, Н2О, N2. В результате каталитической конверсии газа при 200–250 °C и 1,0 МПа получается смесь жидких углеводородов. Азот воздуха в реакцию не вступает. При этих процессах 1 т компонентов моторного топлива получается из 8 т исходного сырья. Общий КПД синтез жидкого топлива из исходного сырья (биомассы) составляет около 40 %. Из лесосечных или сельскохозяйственных отходов с 1 кв. км на передвижных установках можно получить от 100 до 200 т жидкого топлива [4-16].

Моторные топлива [4-16], полученные из растительной биомассы, экологически чистые, так как не содержат серу, а образующийся при их сгорании диоксид углерода вновь вовлекается в образование растений и не накапливается в атмосфере. Утилизация растительных отходов и отходов пластмасс оздоровляет экологическую обстановку [4-16]. Это делает возможным получить дополнительное количество моторного топлива из отходов растительного и вторичного сырья, пластмасс.

 

4.6. Новые научные разработки за рубежом – НИОКР [4-17]

Новое открытие позволит ученым делать топливо из CO 2 в атмосфере.

Исследователи из США нашли способ преобразования углекислого газа атмосферы в полезные промышленные продукты, например, в биологическое топливо.[4-17].

Был разработан метод получения сахара непосредственно из углекислого газа, минуя процессы выращивания растений и извлечения сахара из биомассы. Для этого использовали уникальный микроорганизм Pyrococcus furiosus, или «огненный шарик», который питается углекислым газом и живет вблизи геотермальных источников. Ученые подвергли его генной модификации и вывели штамм P. furiosus, который может поглощать и перерабатывать углекислый газ в сахар при более низких температурах. При добавлении водородного газа в микроорганизме происходит химическая реакция, в которой углекислый газ превращается в 3-гидроксипропионовую кислоту, являющуюся распространенным промышленным химикатом для изготовления пластмассы и многих других продуктов.

Используя другие генетические манипуляции P. furiosus, исследователи планируют создать еще один штамм, который будет генерировать множество других полезных промышленных продуктов, в том числе топливо, из углекислого газа.

Британские ученые планируют начать переработку выбросов от электростанций в топливо [4-17].

Ученые из университета Хериот-Уатта, Эдинбург, в настоящее время работают над фотокаталитической технологией восстановления, в которой выбросы углекислого газа от электростанций будут перерабатываться в жидкое и газообразное топливо для использования в коммунально-бытовом секторе и на транспорте. Дополнительным преимуществом этого процесса преобразования является возможность использования солнечного излучения.

Новый фотокаталитический процесс позволит получать значительно больше этанола, метанола и метана, чем это возможно с существующими сегодня аналогичными технологиями. Полученное топливо может быть направлено для централизованного теплоснабжения в многоквартирных домах, а также для использования в самолетах.

В 2009 году компания Arizona Public Service получила средства в размере 70,5 млн. долларов США для финансирования проекта преобразования выбросов углекислого газа от угольной электростанции в биотопливо с использованием водорослей.

Другой компанией, специализирующейся на создании авиационного биологического топлива, является LanzaTech. Компания использует биологические процессы для извлечения дымовых газов от металлургических, нефтеперерабатывающих заводов и предприятий других отраслей химической промышленности, и последующего преобразования их в биотопливо, пригодное для использования в авиалайнерах.

Кстати, технологии утилизации парниковых газов от энергоемких отраслей могут оказаться полезными не только для авиакомпаний, но и для развивающихся стран, которые стремятся обуздать продолжающийся рост выбросов.

Ученые MIT модифицировали клетки дрожжей для получения более эффективного биотоплива [4-17].

Массачусетский технологический институт объявил о результатах работ по генной модификации обычных дрожжей для изготовления тяжелого алкоголя – изобутанола.

Дрожжи обычно создают изобутанол в небольших количествах в клетки – в митохондрии и цитоплазме. Изменив дрожжевые микроорганизмы на клеточном уровне так, чтобы производство алкоголя происходило исключительно в митохондриях, ученые смогли увеличить количество выхода этого химического вещества аж на 260 процентов. Кроме того, они смогли добиться увеличения содержания изопентанола на 370 процентов и двуметил-бутанола на 500 процентов.

Ученые разрабатывают новый метод преобразования метана в жидкое дизельное топливо [4-17]..

Национальная лаборатория по возобновляемой энергетике (NREL) Департамента энергетики США будет способствовать разработке микробов, которые преобразуют метан, содержащийся в природном газе, в жидкое дизельное топливо. Количество природного газа, выпускаемого нефтяными скважинами во всем мире, огромно, и составляет примерно одну треть от ежегодного объема нефти, которая используется на предприятиях Соединенных Штатов. При этом каждая молекула метана, выбрасываемого в атмосферу, по причиняемому вреду окружающей среде эквивалентна 12-ти молекулам диоксида углерода.

Рис. 4–4. Клетки бактерий, перерабатывающие метан в дизельное топливо.

По мнению ученых из консорциума, образованного университетом Вашингтона, NREL и компаний Johnson Matthey и Lanza Tech, если сбрасываемый в атмосферу газ превратить в жидкость, то его можно будет транспортировать вместе с нефтью на НПЗ, где его можно будет конвертировать в дизельное топливо для грузовых и легковых автомобилей или даже топливо для реактивных двигателей. Для этого они предложили разработать микроб, который будет поглощать метан из газа. Это предложение поддержало Агентство перспективных исследований в энергетике (ARPA-E), выделив грант в размере 4,8 миллиона долларов США на проведение необходимых работ.

Как сообщается, работа ученых из университета Вашингтона сосредоточена на генетической модификации микробов. Лаборатория NREL будет отвечать за разработку более эффективных процессов брожения и извлечения липидов из микроорганизмов, а также проводить анализ экономического потенциала новой технологии. Третий партнер, компания Johnson Matthey из Великобритании, будет производить катализаторы, которые превращают липиды в метановое топливо. И, наконец, компания Lanza Tech из Иллинойса, пионер в области технологий преобразования отходов в топливо, подписала контракт на проведение лабораторного тестирования технологии и в случае его успеха на коммерциализацию и запуск в промышленное производство.

Ученые будут использовать свой опыт в области производства биотоплива и липидов из морских водорослей для разработки технологии, основанной на новом сырье – природном газе. Они начнут с микроорганизмов, которые для своего естественного роста используют метан, и которые имеют природную способность выделять из него липиды. Однако, для того, чтобы микроорганизмы смогли производить достаточно липидов, их нужно модифицировать с помощью генной инженерии. Конечный продукт деятельности микроорганизмов представляет собой промежуточное топливо, которое подлежит переработке в дизельное или реактивное топливо, или же может быть использовано в качестве источника питания для оборудования или источника тепла для обогрева зданий.

Прорыв в производстве биотоплива: выявлены ферменты для повышения сахара галактана[4-17]..

Исследователи от Министерства энергетики (DOE) недавно идентифицировали ферменты, способные существенно повысить количество сахара галактана, который присутствует в клеточных стенках растений. Галактан представляет собой один из видов галактозы, 6-углеродную сахарозу, которая легко ферментируется в этанол с использованием дрожжей. Это давно известное в научном мире вещество представляет особый интерес для исследователей, которые разрабатывают технологии производства биотоплива из «целлюлозной биомассы».

Новая городская система генерирует энергию, очищая сточные воды Парижа[4-17].

На днях парижская компания Ennesys, производитель энергетический систем, и американская компания по уборке водорослей OriginOil представили новый городской демонстрационный проект для городка Ла Дефане, что недалеко от Парижа. В этой инновационной системе используются морские водоросли, которые будут не только вырабатывать электричество, но и фильтровать сточные воды для смыва в унитазах здания или полива растений.

Растительно-микробные топливные элементы генерирует электроэнергию из живых растений [4-17].

Согласно оценкам, водно-болотные угодья составляют около шести процентов поверхности Земли, и новая технология создания растительно-микробных топливных элементов, разработанная в нидерландском НИИ Вагенингена, смогла бы превратить эти районы в жизнеспособные источники возобновляемой энергии. Разработчики считают, что их технология может быть использована не только для обеспечения электроэнергией отдаленных районов, но и для генерации электричества на зеленых крышах домов.

В отличие от обычных микробных элементов, которые вырабатывают биогаз путем анаэробного сбраживания или ферментации “мертвой” биомассы, растительно-микробные топливные элементы генерируют электричество, но при этом растения остаются живыми и продолжают расти. Важно отметить, что система не влияет на рост растений и не приносит вреда окружающей среде.

Система работает за счет использования органического материала, который образуется в результате фотосинтеза, но который не может быть использован растением и выводится через корни. Естественные бактерии вокруг корней расщепляют эти органические остатки, высвобождая электроны. Разместив электроды непосредственно около бактерий, исследователи из университета Вагенингена получили топливно-микробный элемент, который генерирует энергию.

В настоящее время созданный ими опытный образец растительно-микробного топливного элемента может генерировать только 0,4 Ватта электричества на квадратный метр выращиваемых растений. Однако, исследователи утверждают, что он гораздо эффективнее, чем топливные элементы на основе брожения биомассы. В будущем система сможет генерировать до 3,2 Ватта на квадратный метр – это значит, что зеленая крыша площадью 100 квадратных метров полностью обеспечит дом электроэнергией при среднем потреблении 2800 кВт*ч в год.

Технология еще нуждается в совершенствовании, но несмотря на это, растительно-микробные топливные элементы уже могут конкурировать по рентабельности и экономичности с солнечными батареями в отдаленных районах. Ученые провели первые испытания системы и открыли компанию под названием Plante, в рамках деятельности которой они планируют довести технологию до коммерциализации и выпустить первые готовые продукты уже в следующем году.

Новый процесс позволяет получить дизельное топливо напрямую из сахара[4-17].

Исследователи из института энергетических биологических наук (EBI) разработали процесс производства биотоплива из возобновляемых источников, таких как сахар и крахмал, который может быть коммерциализован всего через пять – десять лет. Несмотря на то, что получаемое топливо дороже, чем нефть, оно выделяет больше энергии на галлон, чем этанол. Более того, по словам ученых, производство биотоплива по новой технологии будет способствовать сокращению выбросов парниковых газов от транспорта.

В Канаде совершил первый полет реактивный авиалайнер на чистом биотопливе[4-17].

Сегодня все большее количество компаний-авиаперевозчиков вводят маршруты для гражданских самолетов, летающих на биотопливе. Теперь в их списке числится и канадская компания Air Kanada. Однако, в отличие от других компаний, которые используют для своих самолетов смесь из обычного и биологического топлива, AirKanada планирует запустить рейсы авиалайнеров на чистом биотопливе, изготовленном исключительно из органического сырья – семян масличных культур.

Биотопливо из водорослей: всего за одну минуту? [4-17]..

Исследователи из Мичиганского университета экспериментировали с приготовлением зеленых морских микроводорослей и обнаружили, что одна минута – это все, что потребовалось, чтобы преобразовать 65 процентов исходного материала в сырье для производства биологического топлива.

Биотопливо, электроника и продукты для здоровья – из диатомовых водорослей[4-17].

Диатомовые водоросли представляют собой крошечные морские формы жизни, которые существуют на Земле еще со времен динозавров и которые формируют основу для большей части морской пищевой цепи, однако, до настоящего времени на них никто не обращал внимания. А вот команда ученых из Университета штата Орегон считает, что они могут быть использованы для экономически рентабельного производства биологического топлива, а также для изготовления других ценных продуктов, таких как полупроводники, биомедицинская продукция и даже продукты для здорового питания.

Отходы от ликеро-водочного завода будут преобразованы в биотопливо.

Недавно ликеро-водочный завод подписал соглашение с шотландской компанией по возобновляемым источникам, которое подразумевает разработку технологии включения побочных продуктов от производства виски в топливо. Компании будут использовать два побочных продукта производства виски для выработки бутанола нового поколения, или биобутанола.

Мобильный агрегат может производить биотопливо для военных и гуманитарных операций[4-17].

Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории (ANL) Департамента энергетики США недавно создали устройство, которое они назвали Долговечный Биоэнергетический Реактор (Endurance Bioenergy Reactor, EBR). Этот агрегат может производить биотопливо прямо на месте, используя в качестве сырья отходы от кухонь и туалетов.

Свежий взгляд на производство биотоплива: из навоза[4-17].

В своем стремлении разработать технологию по выработке менее дорогого и более эффективного биотоплива, ученые всего мира исследуют самые различные потенциальные источники, начиная от растений, таких как кукурузные стебли и просо, и заканчивая морскими водорослями. Но недавно исследователи из университета Висконсина-Мэдисона объявили, что они, возможно, нашли самый подходящий ингредиент для производства топливного этанола – коровий навоз с мясомолочных ферм.

В Бразилии строится завод по производству биотоплива из водорослей по австрийской технологии[4-17].

Рис. 4–5. Водоросли для производства биотоплива.

В штате Пернамбуку на северо-востоке Бразилии вскоре будет запущена первая в мире промышленная установка по производству биотоплива из водорослей. Этот проект стал результатом сотрудничества между компанией See Algae Technology (SAT), австрийским разработчиком оборудования для промышленного производства водорослей, и компанией JB, которая является одним из ведущих в Бразилии производителей этанола. Завод будет производить биомассу из природных и генетически модифицированных штаммов водорослей.

Новый завод по производству биодизеля построен на Кубе [4-17].

Рис. 4–6. Плоды кустарника семейства «Ятрофа».

Как объявили на днях СМИ, на Кубе запущен новый завод по производству биодизельного топлива – первый в своем роде, который превращает семена кустарника из семейства ятрофа в экологически чистый источник энергии, он был объявлен в понедельник.

НАСА предлагает новый способ производства биотоплива: пресноводные водоросли в морской воде [4-17].

Новая концепция производства биологического топлива, которая представляет собой посадку в океане пресноводных водорослей, заключенных в больших гибких пластиковых трубах, на первый взгляд может показаться немного бредовой идеей. Однако, в действительности проект OMEGA, предложенный НАСА, более чем жизнеспособный и устойчивый.

Рис. 4–7 Система «Омега» для производства жидкого топлива.

Исследователи создали жидкое топливо, используя солнечную энергию[4-17].

Несмотря на все возрастающую популярность электрических транспортных средств, они все еще имеют много недостатков. И один из них – это длительное время зарядки литиево-ионных аккумуляторов, которыми оснащается большинство электромобилей, по сравнению со временем заправки жидким топливом бензобаков обычных машин, работающих на ДВС. Но недавно исследователи из Школы инженерных и прикладных наук Герни Самуэли от Калифорнийского университета разработали процесс, в котором жидкое топливо производится с использованием солнечной энергии.

В Норвегии будут получать топливо для автобусов и биоудобрение из пищевых отходов [4-17].

Начиная со следующего года, в Осло, столице Норвегии, начнет работу завод по переработке банановой кожуры, кофейной гущи и других пищевых отходов в «зеленое» топливо для городских автобусов. Кроме того, новая биогазовая установка будет поставлять фермерским хозяйствам биоудобрения, богатые питательными веществами.

Согласно сообщениям, завод сможет перерабатывать 50 000 тонн пищевых отходов в год, преобразовывая его в экологически чистое топливо для 135 муниципальных автобусов, а также в биоудобрение в объеме, достаточном для примерно 100 средних фермерских хозяйств. Процессы производства биогаза были разработаны в рамках долгосрочного исследовательского проекта при финансовой поддержке Исследовательского совета Норвегии.

Станут ли водоросли биотопливом будущего? [4-17].

Рис. 4–8 Плантации водорослей в кюветах.

Одним из направлений поиска более экологически чистых и безопасных альтернатив ископаемому топливу является разработка технологий производства биоэтанола. Этот продукт получается в основном из растительного сырья путем переработки сельскохозяйственных культур, под которые в последние годы отводится все больше ценных сельхозугодий. Экономисты и экологи утверждают, что если такая тенденция сохранится и дальше, то мир может столкнуться с нехваткой продуктов питания.

Marine Biology Field Station: самодостаточная электростанция, работающая на морских водорослях [4-17].

Дизайнер Bukowska Arkitekter из Стокгольма, Швеция, недавно предложила новый проект строительства оффшорной электростанции, выращивающей морские водоросли и вырабатывающей из них биотопливо для собственных нужд (Marine Biology Field Station). Впрочем, разработчик планирует использовать электростанцию не только в качестве объекта, производящего электроэнергию, но и в качестве демонстрационной площадки и учебного центра по возможностям применения альтернативной энергетики.

Микробы, обитающие в желудке человека, производят биотопливо из морских водорослей[4-17].

Рис. 4–9. Морские водоросли – сырье для производства биотоплива

Исследователи из Лаборатории биоархитектуры и университета Вашингтона в Сиэтле разработали новый технологический процесс, в котором генетически модифицированные микробы, обычно встречающиеся в желудке человека, расщепляют экзотические сахара в морских водорослях. Развитие этой технологии может означать революцию в производстве биотоплива, поскольку морские водоросли не нуждаются в удобрениях и особых условиях для своего роста, а также не содержат вещество лигнин, которое сегодня используется для выработки биомассы, но которое очень трудно расщепляется на простые химические вещества. Кроме того, недавно разработанный процесс превращения водорослей в биомассу происходит при относительно невысоких температурах, поэтому его с полным правом назвать энергоэффективным.

Ген, контролирующий цветение сорго, увеличивает производство биомассы из этого растения [4-17].

По данным исследования, недавно опубликованного в журнале Протоколы Национальной академии наук, гибрид сорго, который не цветет и наращивает в три раза большую массу стеблей и листьев, которые служат в качестве биомассы, будет способствовать дальнейшему развитию биоэнергетической промышленности. Группа ученых из техасского НИИ AgriLife Research обнаружила ген, который регулирует цветение сорго в соответствии с нуждами производства.

Рис. 4-10. Внешний вид гибрида Сорго, дающий втрое больше биомассы.

Thomson Airways планирует полет самолета на растительном масле[4-17].

Рис. 4-11. Самолет компании Thomson Airways, использующий биотопливо

Как утверждают ученые, очень скоро авиационная промышленность станет абсолютно безвредной для окружающей среды. Недалек день, когда вы будете лететь на самолете, который в качестве топлива использует растительное масло, и британский авиаперевозчик Thomson Airways может стать одним из первых в этой области. Компания планирует совершить первый полет своего авиалайнера, работающего на растительном масле, в Испанию.

Австралийский угольный завод сокращает выбросы углекислого газа[4-17].

Компания MBD Energy, являющаяся мировым лидером в области развития промышленного производства водорослей, заключила с компанией OriginOil договор о сотрудничестве в разработке и поставке уникальной системы по выращиванию водорослей для улавливания углекислого газа в атмосфере и последующему производству биотоплива. Выбрав направлением своей деятельности биологические способы борьбы со все возрастающим загрязнением воздуха, компании 24 мая этого года запустили пилотный проект новой системы на угольной электростанции в Таронге, Австралия.

Поиск испанскими учеными топлива будущего [4-17].

Почти 400 труб зеленого цвета высотой в восемь метров, заполненных миллионами микроскопических морских водорослей, расположены на равнине поблизости города Аликанте, Испания. Рядом работает цементный завод, выбросы углекислого газа которого улавливаются и транспортируются в трубопроводе в «зеленую нефтяную» фабрику. Именно так испанские ученые представляют себе получение топлива будущего: био-нефть, произведенная морскими водорослями, поглощающими углекислый газ от заводов.

Синтез изобутанола из целлюлозы растений[4-17].

Последствия энергетического кризиса все еще дают о себе знать, поэтому сегодня так важно дальнейшее развитие и реализация технологических инноваций в области альтернативных источников энергии, в частности в области производства биологического топлива. Исследователи из Научно-исследовательского центра биоэнергетики (BESC) от Минэнерго США, похоже, могут нам предоставить эффективное решение. Ученые разработали технологию получения изобутанола из целлюлозы растительного происхождения с помощью бактерий. Являясь спиртом более высокого качества, изобутанол имеет почти такую же теплоту сгорания, что и бензин, следовательно, он может рассматриваться как экологически чистая альтернатива бензину в двигателях внутреннего сгорания автомобилей.

Новый способ использования микробов для производства биотоплива[4-17].

Это почти революционный прорыв – группа американских исследователей из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе, успешно апробировала способ использования микробов для производства биотоплива, который в готовом виде будет стоить гораздо дешевле существующих аналогов. Это стало достижимо благодаря «обману» некоторых разновидностей микробов, которых ученые «заставили» потреблять белок для биологического преобразования этого белка в жир и другие вещества, которые затем могут быть очищены для производства биологического топлива.

«Скороварка» для производства биотоплива из водорослей[4-17].

Исследователи Мичиганского университета решили попробовать использоваться высокие температуры для улучшения производительности выработки биологического топлива на основе морских водорослей. Они недавно обнаружили, что такой процесс, как нагревание микроводорослей в анклаве, уменьшает длительность по времени, а также средства, необходимые для превращения слизистой субстанции в биотопливо. После соответствующего усовершенствования этот процесс, по мнению ученых, может привести, наконец, к появлению на рынке топлива на основе водорослей с низкой себестоимостью и низким уровнем выбросов – отличной альтернативы ископаемым видам топлива.

Sundrop Fuels использует интенсивное солнечное тепло для производства биотоплива[4-17].

Технология кажется ультра-фантастической: интенсивное солнечное тепло, которое может выпарить биомассу (дрова, отходы земледелия и т. д.) в синтетическое топливо. Однако процесс, разработанный компанией Sundrop Fuels, представляется вполне реальным, кроме того, эта технология поможет производить вдвое больше бензина или дизельного топлива по сравнению с обычными системами газификации биомассы.

Топливо из правительственной макулатуры [4-17].

Впервые в истории США на улицах Вашингтона можно увидеть автомобили, которые расходуют топливо, сделанное из использованных правительственных бумаг. Именно, компания Novozymes в партнерстве с компанией Fiberight разработала уникальную технологию производства биологического топлива из макулатуры, которая тонами выбрасывается после использования в начальственных кабинетах Белого дома и других правительственных учреждений.

Исследователи сконструировали табачные листья, которые смогут увеличить производство биотоплива[4-17].

Исследователи из лаборатории фундаментальной биотехнологии Университета Томаса Джефферсона обнаружили способ увеличить производство биотоплива, используя для этого сконструированные с помощью генной инженерии табачные листья, в которых увеличена доля масел. Их работа была опубликована в онлайновом журнале Plant Biotechnology Journal.

Глицерин: от мыла до главной составляющей в производстве биотоплива[4-17].

Как известно, топливоперерабатывающие предприятия производят огромное количество сырого глицерина в качестве побочного продукта. И хотя в настоящее время глицерин высшего сорта широко используется в косметической, пищевой и медицинской промышленности для производства товаров народного потребления, все же большие объемы сырого глицерина просто ликвидируются в виде отходов, а иногда даже нелегально.

Nanofarming-процесс предлагает более щадящий способ получения биотоплива из водорослей[4-17].

Последняя преграда к экономической конкурентоспособности биотоплива, похоже, вскоре падёт, благодаря новой разработке в области его выработки на основе нанотехнологий. Новая технология использует крошечные наночастицы, которые способны поглощать свободные жирные кислоты из живых микроводорослей. В настоящее время эта технология разрабатывается Национальной лабораторией Эймса Департамента энергетики США и Государственным университетом Айовы, в тесном сотрудничестве со специалистом в области производства биотоплива компанией Catilin, Inc.

Авиакомпания KLM Royal Dutch Airlines провела первый в Европе пассажирский рейс на смеси из реактивного и биологического топлива[4-17].

Промышленная авиация вносит значительный вклад в загрязнение окружающей среды посредством выбросов парниковых газов, но производители и управление по авиации принимают меры по решению этой проблемы. И вот недавно, для того, чтобы доказать ценность биотоплива в авиации, голландская авиакомпания KLM Royal Dutch Airlines завершила рейс Boeing 747 с 40 пассажирами на борту на топливе, которое производится из непищевых культур. Для одного из его четырех двигателей использовалась смесь из 50 процентов биокеросина и 50 процентов реактивного топлива. Самолет провел в воздухе над Нидерландами один час.

Бактерии превращают парниковые газы в топливо [4-17].

Команда исследователей из США недавно объявила о создании ими генетически модифицированных бактерий, которые, поглощая углекислый газ, вырабатывают изобультиральдегид. Его впоследствии можно использовать для производства изобутана.

Прорыв в производстве биотоплива: микробы вырабатывают топливо из воздуха[4-17].

Компания Joule Biotechnologies объявила о создании производства топлива непосредственно из богатого углекислым газом воздуха, используя сконструированные с помощью генной инженерии фотосинтетические микробы. Само преобразование углекислоты в топливо было названо компанией Helioculture-процессом.

Ученые из Гарварда создали батареи на основе почвенных бактерий[4-17].

Группа Бостонского колледжа создала аккумуляторы из микробных топливных элементов (microbial fuel cell, MFC), которые получают энергию из природных бактерий, содержащихся в почве. Если это изделие получит дальнейшее развитие, то можно надеяться, что 500 миллионов людей в странах Южной Африки, где нет доступа к электричеству, будут обеспечены энергией от экологически чистых батарей.

Camelina (рыжик) выбрано в качестве биотоплива для испытаний авиацией ВМС США[4-17].

Не так давно ВМС США объявили о планах протестировать несколько видов авиационного биотоплива в истребителе F/A-18. В то время они еще не решили, ни кто будет поставлять топливо, ни что будет использоваться в качестве исходного сырья – только то, что оно должно быть из непродовольственных культур. Теперь стало известно, что в качестве биотоплива для программы испытаний ВМС США выбрано топливо на основе Camelina* компании-производителя Sustainable Oils, Монтана.

Первый в мире автомобиль на энергии водорослей попытается пересечь США, используя 25 галлонов топлива[4-17].

В Сан-Франциско состоялось открытие первого в мире транспортного средства на топливе из водорослей, которое окрестили Algaeus. Гибридный автомобиль с модулем plugin, совмещающий в себе, подобно Prius, никель-металл-гидридные батареи и вилку для подзарядки от электрической сети, работает на зеленой нефти от компании Sapphire Energy, при этом никаких изменений в бензиновом двигателе не нужно. Проект оказался настолько эффективным, что Algaeus может проехать на 25 галлонах топлива от побережья до побережья!

Водоросли – биотопливо будущего [4-17].

Поиски экологических альтернатив ископаемым видам энергии прямой дорогой ведут к исследованию Мирового океана, поскольку именно он является громадным механизмом воспроизведения биологических ресурсов. Наибольшим потенциалом, в вопросе получения биологического топлива обладают морские водоросли, растущие повсеместно, выносящие любые экстремальные температуры и обладающие способностью быстрого размножения.

Российские ученые выращивают микроводоросли для производства биотоплива [4-17].

Новосибирские исследователи уверены, что на сегодняшний день микроводоросли являются самым перспективным сырьем для биотоплива.[4-19].

По мнению новосибирских биологов и химиков, микроводоросли – это самое перспективное на сегодняшний день сырье, которое наряду с растительными маслами, отходами переработки злаковых, тростником, опилками и многим другим составляют основу для производства альтернативного топлива.

Института катализа СО РАН применил технологии каталитических процессов, что позволяет получать биотопливо с более высокими характеристиками, которые могут использоваться в качестве добавок к традиционным моторным топливам. По своим характеристикам выращенные в Новосибирске микроводросли превосходят наземные растения. Они содержат до 80 % жиров от сухого веса.

НАСА помещает водоросли в пакеты со сточными водами в попытке получить авиатопливо. [4-17].

Космическое агентство выращивает водоросли для биотоплива в пластиковых пакетах, наполненных сточными водами, которые плавают в океане.

Процесс невероятно прост. Начинается всё с помещения водорослей в пластиковые пакеты, наполненные сточными водами; эти пакеты в истинно НАСАвском стиле имеют искусный акроним, ОМЕГА (или ОМЕВВ), что в переводе с английского означает «офшорные (морские) мембранные емкости для выращивания водорослей»

Пакеты ОМЕГА – это полупроводящие мембраны, которые НАСА разработало для вторичного использования сточных вод астронавтов в длительных космических миссиях. В этом случае мембраны позволяют выход пресной воды, но предотвращают просачивание соленой (морской) воды.

Затем водоросли в пакетах начинают поглощать питательные вещества сточных вод. Растения очищают воду и выделяют липиды – жирорастворимые молекулы, – которые будут после использованы в качестве топлива.

Система беспроигрышна, сообщил он. Даже в случае, если ОМЕГА-пакет протечет, соленая морская вода уничтожит водоросль, предотвратив распространение экспансионистских видов.

Пластиковые пакеты от НАСА предназначены существовать вплоть до 3-х лет… После этого они могут стать вторичным сырьем, как пластмассовая мульча, или могут быть раздроблены, и использоваться для улучшения качества почвы и сохранения влаги.

Продукции, получаемой из ОМЕГА, хватит, чтобы снабдить топливом авиационные нужды США – 21 биллион галлонов (68 млн. т углеводородов) в год. Чтобы сделать это, потребуется 10 миллионов акр (4.05 млн. га) площади океана.

Сложности.

Конечно, любая технология сталкивается с проблемами.

Специалистам НАСА необходимо найти пластмассу, способную выдержать дробящие волны и холодную температуру, не становясь слишком хрупкой для осмоса.

Qantas испытает биотопливо из морских водорослей[4-18].

Авиакомпания Qantas (Австралия) подписала контракт с американской энергетической компанией Solazyme о совместной работе по внедрению технологии производства биологического топлива из морских водорослей в Австралии в течение ближайших 12 месяцев, сообщает Flightglobal.com. Подобное соглашение Qantas также подписала с компанией Solena (США), которая занимается производством биотоплива из бытовых отходов. Подписанные соглашения являются частью программы авиакомпании Qantas, направленной на оценку возможности использования альтернативных видов топлива, а также на поиск партнеров в этой области. "Затраты и экологические последствия, связанные с традиционными видами реактивного топлива, приводят к необходимости коммерциализации альтернативных источников топлива. Qantas будет оценивать возможность использования каждой технологии на основании коммерческих и устойчивых критериев", – отметил руководитель Qantas Алан Джойс.

 

Литература

4-1. Siemens – Биотопливо – www.science-award.siemens.ru.

4-2. Панцхава Е.С., Березин И.В., Техническая биоэнергетика, Биотехнология, 1986, № 3, с. 8–15.

4-3. O., Rosillo-Calle F., 10 Biomass (Other then Wood)// Survey of Energy Resources., 1998, 18th Edition, p. 227–257.

4-4. Курс обучения DIERET – Энергия Биомассы – Ecomuseum.kz www.ecomuseum.kz.

4–5. Т.А. Железная, Г.Г. Гелетуха., Обзор современных технологий газификации биомассы. Технологии газификации биомассы, 2008, www.escoecosys.narod.ru.

4–6. Биотопливо – альтернативный вид топлива, culibin777.livejournal.com.

4-7.Е.С. Панцхава и др., Биогазовые технологии., М., 2008, 217 стр.

4-8. The Future of Ethanol: Cellulosic.,www.web.extension.illinois.edu.

4-9. Девис А., Шуберт Р., Альтернативные природные источники энергии в строительном проектировании// М., Стройиздат, 1983, 189 с.

4-10.Международная биоэнергетика, № 3 (20), 2011, стр. 32–33.

4-11. Lufthansa начала экспериментальные полеты на биотопли-Be.,www. media.lufthansa.com.

4-12. A-10 Thunderbolt II of US Air Force flies on biofuel., www.commodityonline.com.

4-13. Королевские ВВС Нидерландов продемонстрировали вертолет Apache на биотопливе., www.cheburek.net.

4-14. AVIATION IMAGES Photo Gallery by Rob Finlayson at pbase.com.,

www.pbase.com.

4-15. Creating Jet Fuel from Biomass Waste – OilPrice.com, Alternative Energy, www.oilprice.com.

4-16. Я. М. Паушкин, Г. С. Головин, А. Л. Лапидус, А. Ю. Крылова, Е. Г. Горлов, В. С. Ковач., Получение моторных топлив из газов газификации растительной, Институт горючих ископаемых.,

www.promeco.h1.ru.

4-17. Биологическое топливо – Cheburek.,net.,www.cheburek.net.

4-18. Qantas испытает биотопливо из морских водорослей., www.air-stream.net.

4-19. Российские ученые выращивают микроводоросли для…www.smartgrid.ru.

 

Получение энергии из биомассы является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей во многих странах мира. Этому способствуют такие ее свойства, как большой энергетический потенциал и возобновляемость. А так-же тот фактор, что она может быть произведена и использована без значительных финансовых затрат, что немаловажно для малоразвитых стран.

 

5.1.Виды биомассы

Все источники биосырья для биоэнергетики можно разделить на три основные группы.

К первой относятся специально выращиваемые для энергетических целей наземные растения. Наибольшее значение имеют лесоводческие энергетические хозяйства для выращивания различных пород деревьев: эбеновое дерево, эвкалипт, пальма, гибридный тополь и др. Одними из перспективных энергетических культур являются сладкое сорго, земляная груша, сахарный тростник.

Рис. 5–1. Уборка урожая Энергетической вербы в Валынской области в Украине.

Рис. 5–2. Сахарный тростник (Saccharum officinarum) Египет

Рис. 5–3. Унаби, Китайский финик, Ююба китайская. Луксор.

Рис. 5–4. В Ровенской области (Украина) будут сажать энергетические ивы.

Рис. 5–5. Биотопливо из Ивы

Рис. 5–6. Paspalum dilatatum / Рис. 5–7. Генномодифицированная Panico brasiliano Энергетическая культура компании Ceres (США)

Рис. 5–8. Энергетическое сорго

Рис. 5–9. Тополь.(Парагвай и Уругвай)

Рис. 5-10.Chrysophyllus Bamboo

Рис. 5-11.Эбеновое дерево [5–2].

Рис. 5-12. Быстрорастущая пальма.[5–3]

Рис. 5-13. Гибридный тополь – тополь советский. [5–4]

Рис. 5-14. Гибридные пирамидальные тополя.[5–5]

Рис. 5-15. Betula maximowicziana (берёза Максимовича)[5–6]

Рис. 5-16. Кипарисовик Лавсона

Рис. 5-17. Хвойное дерево.

“Columnaris” 190–210 см [5–7]. Быстрорастущий сорт Туи [5–8].

Ко второй группе источников биомассы относятся различные органические остатки и отходы:

• биологические отходы животных (навоз, птичий помет и др.);

• остатки от сбора урожая сельскохозяйственных культур и побочные продукты их переработки: багасса (жом сахарного тростника), солома ржи и пшеницы, кукурузные кочерыжки, стебли хлопка, скорлупа земляного ореха, отходы картофеля, рисовые шелуха и солома и др.;

• отходы лесозаготовок, лесопиления и деревообработки: кора, опилки, древесные щепки, стружки;

• промышленные сточные воды (в частности, текстильных, молочных, а также других предприятий по переработке пищевых продуктов);

• городские отходы (твердые и сточные воды).

Третья группа – это водные растения – морские водоросли, гигантские ламинарии (бурые водоросли), водяной гиацинт. Наряду с океаном, который рассматривается как основной поставщик крупных морских бурых водорослей, водорослей, обитающих на дне водоема и плавающих в стоячей воде, анализируются возможности использования биомассы эстуарий, соленых и пресноводных болот.

Как возможные источники биомассы предлагаются также: гибридный сорго, микроводоросли, пресноводные макрофиты и макроводоросли, маниока (пищевое растение в тропиках).[5–9]

Рис. 5-18. Сорго сахарное [5-10].

Рис. 5-19. Суданковые гибриды Сорго Сабантуй [5-10].

Рис. 5-20. Гибрид Сорго Солярис[5-10].

Рис. 5-21. Маниока [5-11].

Рис. 5-22. Эйхорния – плавающее водное растение. [5-12].

Рис. 5-23. Красные водоросли (Lithothamnion) / Рис. 5-24. Морская водоросль – Ламинария [5-13]

Рис. 5-25. Бурые морские водоросли. Рис. 5-26. Биореакторы для [5-14] биотехнологического производства – биомассы микроводорослей Dunaliella [5-15].

Рис. 5-27. Микроводоросль хлорелла. [5-16].

 

5.2.Топливо из биомассы (сырье) [17]

 

5.2.1. Древесные отходы

Древесина добывается на постоянной основе: в лесах в процессе вырубки. По одной из приблизительных оценок прирост древесины в мире составляет 12,5x109 м3/год с содержанием энергии 182 ЭДж 6.2 млрд. ту.т… Это соответствует 1,3 от общего потребления угля на планете. Среднегодовая добыча древесины в период 1985–1987 г.г. составила 2.7x109 м3/год (эквивалент 40 ЭДж/год 1.36 млрд. Ту.т.). Таким образом, часть прироста может быть дополнительно использована в энергетических целях в процессе ухода за лесами и, возможно, даже увеличения при этом их производительности. топливо из биомассы (сырье) [5-17].

В развивающихся странах, широко использующих древесный уголь в качестве топлива, производство угля в печах на месте образования древесных лесных отходов может уменьшить расходы на транспортировку.

Механические рубительные машины для производства древесной щепы (30–40 мм) были созданы в Европе и Северной Америке в течение последних 15 лет. (Рис. 5-28) Использование порубочных остатков для отопления и/или производства электроэнергии представляет собой растущий бизнес во многих странах. Американские энергоснабжающие компании имеют более 9000 МВт мощностей, работающих с использованием биомассы (эквивалент 9 атомных блоков). В Австрии общая мощность домашних котлов и котлов централизованного теплоснабжения (ЦТ), сжигающих древесные отходы, кору и щепу, достигает 1250 МВт. Мощность большинства котлов ЦТ находится в диапазоне 1–2 МВт. Имеется несколько установок большей мощности (15 МВт) и большое количество малых когенерационных установок. топливо из биомассы. (сырье) [5-17].

Следующим источником древесных отходов является обработка деловой древесины. Сухие опилки и другие отходы, возникающие в процессе распиловки, представляют собой качественное топливо. По существующим оценкам, британская мебельная промышленность поставляет 35000 тонн таких отходов в год (третья часть от общего количества), обеспечивая 0,5 ПДж энергии для отопления и горячего водоснабжения, а также для получения пара. В Швеции, где биомасса уже сегодня обеспечивает около 15 % первичной энергии, отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности дают 200 ПДж в год, в основном в качестве топлива для ТЭЦ. топливо из биомассы (сырье) [5-17].

Рис. 5-28. Полигон древесных и опилок (Новгородская область. РФ).

Рис. 5-29. кусковые древесные отходы мягкие древесные отходы.[5-18]

Производство топливной щепы в лесу с помощью лесного комбайна с харвестерной головкой [5-19].

Рис. 5-30. Комбайн для рубки леса.

Последовательность технологических операций 1. Комбайн оборудован валочной головкой с ножницами, имеющими гидравлический привод. Головка смонтирована на стреле гидр манипулятора с вылетом до 9,5 м. Максимальный диаметр срезаемого дерева 25 см для мягколиственных пород (ель, сосна) и 20 см для твердолиственных пород (береза, дуб).

2. Комбайн в режиме харвестера работает только на трелевочных волоках, срезая деревья и направляя их к рубительной машине. Приемное устройство рубительной машины расположено в передней части комбайна. Подготовка трелевочного волока и выборочные рубки могут быть проведены за один проход или поэтапно (первый шаг: прореживание).

3. Древесная щепа подается по пневмопроводу в бункер объемом 20 м3 и доставляется к съемному контейнеру на погрузочный пункт.

4. Щепа легко перегружается из бункера в контейнер благодаря инновационной системе разгрузки. Система состоит из подъемного механизма в виде ножниц, который обеспечивает подъем бункера на высоту до 3,6 м. После подъема и поворота бункера к контейнеру, щепа разгружается скребковым транспортером. Гибкость этой системы обеспечивает загрузку щепы из бункера в любой вид транспорта.

5. В дополнение к этому, комбайн оборудован захватом, который может быть использован в обычном назначении: захват и подача к рубительной машине лесосечных отходов. Оценка технологического процесса по технике безопасности, эргономике и воздействию на окружающую среду. Оператор управляет комбайном из просторной, кондиционируемой кабины с эргономичным вращающимся креслом, с камерой заднего вида. С эргономической точки зрения, все это является значительным улучшением.

Рис. 5-31. Перегрузка щепы из бункера (1) в контйнер (2).

1

2

3

4

5

Рис. 5-32. Механизированная рубка лесной древесины: 1-захват ствола валочной головкой с ножницами; 2– очистка ствола; 3 – срез ствола; 4-укладка ствола на трейлер или в штабели -5

Рис. 5-33. Харвестеры[5-20].

Рис. 5-34.Харвестер Ponsse Ergoharvester [5-21].

Рис. 35 Форвардер Timberjack 1710D

Рис. 5-36. Харвестер [5-22].

Рис. 5-37. Валочная головка Харвестера.[5-23].

Рис. 5-38. Харвестер (слева) и форвардер (справа) Vimek.

Рис. 5-39. Харвестер Форвардер John Deere Timberjack [5-24].

Рис. 5-40. Форфардеры (транспортер)[5-25].

Рис. 5-41. John Deere Forwarder

Рис. 5-42. Форвардер [5-27]. 1010E.[5-26]

 

5.2.2. Отходы сельского хозяйства

Сельскохозяйственные отходы представляют собой огромный источник биомассы. Отходы растениеводства и животноводства обеспечивают значительное количество энергии, уступающее только древесине, которая является главным видом топлива из биомассы на Земле. Сельскохозяйственные отходы включают: отходы растительных культур, например, солому, некондиционную продукцию и излишки производства, а также отходы животноводства в виде навоза. В Индии в 1985 году в качестве топлива было использовано 110 млн тонн навоза и растительных остатков, что близко к объему использования древесины -133 млн тонн. В Китае количество сельскохозяйственных отходов в 2,2 раза превышает количество древесного топлива. топливо из биомассы (сырье) [5-17].

Каждый год в мире образуются миллионы тонн соломы. Более половины этого количества не используется. Во многих странах она сжигается на полях или запахивается в землю. В некоторых развитых странах экологическое законодательство запрещает сжигание соломы на полях. Это привлекло внимание к соломе как к потенциальному источнику энергии. топливо из биомассы (сырье) [5-17].

Энергетическое использование растительных остатков вызывает вопрос о том, какое количество может быть использовано без негативного воздействия на урожай. В соответствии с опытом развитых стран, около 35 % растительных остатков может быть удалено без воздействия на будущий урожай.

Промышленные отходы, содержащие биомассу, также могут быть использованы для производства энергии. Например, из отходов производства спирта можно получить горючий газ. Другие полезные виды отходов включают отходы пищевой и текстильной промышленности. топливо из биомассы.[5-17].

Рис. 5-43. Упакованные стебли.

Рис. 5-44. Пивная дробина. кукурузы.[5-28]

Рис. 5-45. Куринный помет.

БЫСТРОРАСТУЩИЕ РАСТЕНИЯ.

Биомасса может специально выращиваться на энергетических плантациях в виде деревьев или других видов растений, например, травы (сорго, сахарный тростник). Все эти виды растений могут быть использованы в качестве топлива.

Основным преимуществом при этом является короткий период выращивания (ротации) – обычно от трех до восьми лет. Для некоторых видов трав урожай может собираться каждые 6-12 месяцев. В мире существует около 100 миллионов гектаров земли, используемой для плантаций древесных культур.

Важными параметрами при выборе видов растений для Приоритетом выращивания растений на энергетических плантациях являются: наличие вида на местном рынке, простота разведения, устойчивость развития в неблагоприятных условиях и продуктивность, выраженная в производстве сухой биомассы на гектар в год (т/га/год).. Это наиболее важный фактор при решении вопроса о производстве биомассы с целью оптимизировать ее производство на определенной территории в определенный период времени с наименьшими затратами. По этой причине высокопроизводительные виды биомассы предпочтительны для производства энергии. топливо из биомассы (сырье) [5-17].

Некоторые виды растений демонстрируют высокую продуктивность. Например, ряд сортов эвкалипта имеют продуктивность 65 т/га/год сухой биомассы, виды Salixand Populus показывают соответственно 30 и 43 т/га/год.

 

5.3. Использование топлива из биомассы

Рис. 5-46. Эвкалипт царственный.[5-29].

Древесное топливо составляет 10 % топлива, используемого в мире. В Азии и Латинской Америке его доля составляет 20 %, в Африке – 50 %. При этом древесина является главным источником энергии, особенно в бытовых целях, во многих бедных развивающихся странах. В 22 странах древесное топливо обеспечивает от 25 до 49 % потребления энергии, в 17 странах – 50–74 % и в 26 странах – 75-100 %. [5-30].

Увеличение производства древесины путем внедрения эффективных технологий является необходимым условием устойчивого развития в развивающихся странах.

Увеличение использования древесного угля в Европе связано с промышленной революцией в Англии в 17 – 18 веках. В Швеции потребление древесного угля выросло в течение 19 столетия в связи с производством металла, в частности, высококачественной стали. Сегодня древесный уголь остается важным видом бытового и, в меньшей степени, промышленного топлива во многих развивающихся странах. Он преимущественно используется в городах, где простота хранения, высокая теплотворная способность (30 МДж/кг по сравнению с 15 МДж/кг для древесины), меньшее количество дымовых выбросов и устойчивость к насекомым делают его более привлекательным, чем древесное топливо. В крупных городах Танзании доля древесного угля составляет 90 % общего энергопотребления.[5-30].

Потенциал образования лесных и сельскохозяйственных отходов огромен – около 2 миллиардов т/год во всем мире. Около 800 миллионов обитателей Земли используют с/х отходы и навоз для приготовления пищи, хотя точные подсчеты сделать трудно. В противоположность распространенному мнению, использование навоза в качестве источника энергии не ограничено только развивающимися странами. Например, в Калифорнии коммерческие биогазовые установки генерируют около 17.5 МВт электроэнергии, используя навоз крупного рогатого скота. Большое количество биогазовых установок имеется в Европе.[5-30].

Количество энергии, которое теоретически возможно получить из возобновляемых отходов, составляет 54 ЭДж 1.8 млрд. ту.т. в развивающихся странах и 42 ЭДж 1.43 млрд. ту.т. в развитых регионах. Возобновляемые отходы включают три основных компонента: лес, продукты растениеводства и навоз. В расчётах предполагается, что только 25 % отходов используется полезно. Развивающиеся страны теоретически могут покрыть 15 % потребностей в энергии за счет отходов, промышленные страны – 4 %.. [5-30].

Отходы сахарного тростника (жом, листья) – огромный потенциал для производства электроэнергии.

Количество электроэнергии, вырабатываемой из сахарного тростника может в 44 раза превышать собственное ее потребление сахарным или спиртовым заводом. На каждый литр спирта газовая турбина может произвести более 11 кВт-ч электроэнергии сверх собственного потребления завода (около 820 кВт-ч/т). По другим оценкам, использование жома для конденсационных турбин дает дополнительно 20–65 кВт-ч электроэнергии на тонну тростника. Этот количество может быть удвоено с помощью использования вида barbojo в межсезонье. Себестоимость произведенной электроэнергии оценивается в 0,05 $/кВт-ч. Доходы от продажи электроэнергии могут считаться основным продуктом, а спирт побочным. [5-30].

В Индии производство электроэнергии из отходов сахарного тростника в 2030 году может достичь 550 ТВт-ч/год (общее производство электроэнергии из всех источников в стране в 1987 году было менее 220 ТВт-ч – Тера= 1х1012). В глобальном масштабе около 50 ГВт установленной мощности может быть обеспечено с помощью отходов. Теоретический потенциал отходов в 80 развивающихся странах, производящих сахар из сахарного тростника, достигает 2800 ТВт-ч/год, что на 70 % превышает общее производство электроэнергии в этих странах в 1987 году. Изучение общего потенциала сахарной промышленности дает цифру 500 ТВт-ч/год. Предполагая, что третья часть отходов может быть использована для производства электроэнергии с помощью внедрения новых технологий, 10 % современной мировой потребности в электроэнергии (10000 ТВт-ч/год) может быть обеспечена из этого источника. [5-31].

Ятрофа.[5-32].

Рис. 5-47. Культивируемая Ятрофа ядовитая – Jatropha curcasL[5-33].

Ятрофа ядовитая – Jatropha curcas L. Многолетнее древовидное растение, легко распространяется с помощью семян и размножается черенками. Относится к семейству молочаевых… Хорошо растет в странах с тропическим и субтропическим климатом, но встречается по всей планете. Больше известна как многолетний древовидный сорняк, растущий на бедных сухих почвах. Ятрофа успешно аклиматизировалась и столетиями произрастает в Африке и Азии, а в последние десятилетия культивируется во всем мире. Это засухоустойчивое растение, хорошо растет в полузасушливых и засушливых условиях. Также успешно вегетирует в условиях достаточной влажности. Сегодня ятрофу выращивают во многих тропических странах, где сумма ежегодных осадков составляет 300-1000 мм, а средняя температура – выше 18–20 °C. По этим параметрам культурное производство растения можно пробовать и в России. Растение предпочитает хорошо дренированные и аэрированные почвы. Содержание питательных веществ в почве не является главным фактором, влияющим на продуктивность ятрофы. Она может расти как на плодородных почвах, так и на почвах с низким содержанием гумуса. Ятрофа невысокое древовидное или кустарниковое растение, высота растения от трех до пяти-шести метров, но иногда, в благоприятных условиях, может достигать и восьмидесяти. Листья простые, большие, пальчастые с тремя или пятью лопастями; на черешках зеленого или бледно-зеленого цвета. На стеблях они размещены спирально, под противоположным к югу углом. Цветы собраны в соцветия и размещены на черешках длиной от 6 до 23 мм. Соцветия размещаются в пазухах листьев.

Плоды созревают в зимний период, когда растение сбрасывает листья. В условиях тропиков может давать урожай несколько раз в год. Из одного соцветия образуется 10 или больше яйцевидных плодов, в каждом плоде – по два-три крупных семени. Семена дозревают, когда околоплодник меняет цвет с зеленого на желтый. В семенах ятрофы содержится 30 % различных масел… Сейчас занимающиеся созданием биотоплива предприниматели в Индии и Африке насаждают плантации и производят топливо из семян этого растения. Британская компания по производству биогорючего D1 Oils засадила ятрофой 150 тыс. га земель в Свазиленде, Замбии и ЮАР, а также в Индии. В этом году фирма планирует удвоить размеры посевов. Голландская компания BioKing, производитель оборудования для создания биотоплива, выращивает плантации ятрофы в Сенегале.

Правительство Китая также приступило к внедрению в жизнь широкомасштабного проекта.

Семена бразильской ятрофы ядовитой содержат 40 % масла… Этот кустарник можно с успехом выращивать на заброшенных и неиспользуемых землях. Поэтому наиболее эффективными становятся небольшие проекты, предусматривающие высаживание ятрофы вместе с другими растениями. Такой метод применяется в Кении и на Мадагаскаре, где ятрофа растет вместе с ванилью. Перспективность культивирования ятрофы. Во-первых, имеет высокий выход масла из семян в сравнении с основными биодизельными культурами соей и рапсом. Из сои получают масла для биодизеля с гектара почти 400 кг, из рапса – 1 т, из ятрофы – 3 т (по другим данным – см. табл.). И это еще не предел возможного выхода масла и урожайности ятрофы. Во-вторых, растение непривередливое, легко приспособляемое. Трудности при выращивании ятрофы могут возникать только из-за недостаточной механизации, ведь большинство операций пока проводят вручную, в частности уборку семян.

Чего ожидать?

Первые три года ятрофа не дает большого количества плодов. На четвертый год урожай составляет около 2 т/га, пятый – 3 т/га, шестой – 3,5 т/га, седьмой – 4 т/га, восьмой – 4,5 т/га, на девятый год – до 5 т/га. При хорошем уходе кустарники дают урожайность до 6,5 т/га. Плодоносит ятрофа до 23–30 лет. Жизнеспособность семена сохраняют до 50 лет. В течение 20 лет растение можно использовать в коммерческих целях. Как показывает опыт бразильских фермеров, с одного куста ятрофы они получают до 2 л биотоплива (1,7 л) или от 0,5 до 1,5 т биодизеля с 1 га. Если посадки ятрофы орошать, эти цифры можно удвоить. Созревают плоды медленно (за 4-5 лет). Научно-исследовательским центром в Тамил Наду (Индия) выведен скороспелый гибрид ятрофы ядовитой, который формирует плоды уже через 6 месяцев и 16 дней после посадки. В первые 2–3 года поля не приносят прибыли. Для посадки ятрофы зачастую используют рассаду. Оптимальная схема посадки 3х3 м, 1100 растений на 1 га. В условиях достаточной увлажненности количество растений можно увеличивать до 1666. В зависимости от уровня увлажнённости почв и плодородия с гектара получают от 2,5 до 5 т семян. На десятилетних посадках урожайность повышается до 12 т/га. В одном зрелом семени гибрида ятрофы 6 % влаги, 18 % белка и 40 % масла, 17 % углеводов, 16 % клетчатки и 5 % зольных элементов.

Масло ятрофы состоит из 21 % ненасыщенных жирных кислот и 79 % – насыщенных. В семенах содержится небольшое количество ядовитого для человека вещества – курзина, поэтому масло из семян ятрофы не используют в пищу. Латекс ятрофы содержит алкалоид – ятро-фин, который входит в состав противораковых лекарств, мазей для лечения кожных заболеваний, ревматизма. Из коры получают натуральные синие красители для тканей. Листья используют как корм для тутовых шелкопрядов в условиях искусственного разведения. Европейские селекционеры работают над выведением новых высокомасличных, скороспелых и морозоустойчивых гибридов ятрофы ядовитой.

Уже выведен гибрид, который не содержит в семенах ядовитый алкалоид курзин.

Рис. 5-48. Разведение посадочного материала ятрофы. [5-36].

Рис. 5-49 Плоды Ятрофы рассеченной Jatropha multifeda [5-35].

Рис. 5-50. Зоны выращивания ятрофы. [5-37].

Рис. 5-51. Микрокристаллическая клетчатка.

 

5.4. Клетчатка [5-38]

 

5.4.1. Микрокристаллическая клетчатка [5-34]

Растительная клетчатка – естественный углеводородный ресурс, запасы которого не уступают нефти, но твердую клетчатку нельзя залить в топливный бак и дорого перерабатывать в жидкое биотопливо. Клетчатку нельзя залить в баки, но можно засыпать плотный легкосыпучий порошок, получаемый при ее несложной химической модификации. Порошковое биотопливо может стать одним из потенциальных «Зеленых» топлив для автомобилей.

Кристаллическая клетчатка.

Самый распространенный в природе углеводный продукт растительного происхождения – биоклетчатка, химическую основу которой составляет "целлюлоза".. Топливо из биоклетчатки дешево и повсеместно доступно, но целлюлоза твердое вещество. Целлюлоза служит первоначальным сырьем для производства жидкого моторного биотоплива. "Биоэтанол" или "Гидролизный спирт", получается при брожении сахаристых продуктов гидролиза целлюлозы. "Метанол" или "Метиловый спирт" получается при сухой перегонке – пиролизе, древесины или другого целлюлозного сырья. [5-38].

Биотопливо широко используется только в странах Латинской Америки из-за дефицита нефти и высокопродуктивного сельского хозяйства. Если использовать целлюлозное биотопливо без переработки в спирт, это повысит его КПД и снизит стоимость, но целлюлоза твердое вещество, а автомобильные двигатели не приспособлены для работы на твердом топливе. [5-38].

При измельчении целлюлозы в мелкий порошок, ее можно сделать пригодной для топливных систем. Целлюлозе можно придать форму мелкодисперсного порошка удобного во всех отношениях, если изменить ее молекулярную структуру.

При неполном гидролизе длинные полимерные молекулы целлюлозы разрываются, но сохраняют форму цепей, не превращаясь при этом в продукты полного гидролиза, сахара. Продукты неполного гидролиза клетчатки называются микрокристаллической целлюлозой – "МКЦ". По физическим свойствам МКЦ сходна с крахмалом, она образует коллоидные растворы с водой, структура твердой МКЦ не волокнистая и она может измельчаться в порошок. Если раствор МКЦ измельчать и высушивать методом распыления в сухом теплом воздухе, то МКЦ приобретает форму сферических микрогранул. [5-38].

Микрогранулированная МКЦ – это плотный легкосыпучий порошок, по плотности сравнимый с нефтяным горючим. Из-за высокой сыпучести порошки из сферических частиц ведут себя подобно жидкостям. " [5-38].

Твердое топливо в форме легкосыпучего порошка может использоваться жидкостной топливной системой, с измененными насосами и дозаторами, и топливопроводами большого диаметра, выстланными внутренним антифрикционным покрытием. Благодаря псевдотекучести топливо из микрогранул МКЦ можно использовать для стандартных автомобильных двигателей внутреннего сгорания – "ДВС". Под целлюлозную пыль можно адаптировать даже серийные двигатели, заменив только топливную систему и дополнительно оснастив цилиндры дозаторами и системами распыления для пылевого топлива. Топливную пыль можно подавать в цилиндры и распылять при помощи струй сжатого воздуха, поступающего от насоса высокого давления, или аккумулируемого в небольших камерах, в начале рабочего хода.

Таблица. 5-1

Сравнительные данные по выходу масла из различных сельскохозяйственных культур

Целлюлозное биотопливо в форме порошка МКЦ, это более дешевый и рациональный способ использовать растительную клетчатку в качестве возобновляемого топливного ресурса. Порошок МКЦ более удобен в качестве возобновляемого химического сырья, чем твердая целлюлоза, древесина или солома. МКЦ может служить основой для синтеза недорогих и биологически разлагаемых – «зеленых» полимеров. МКЦ может быть инертным наполнителем при производстве пластмасс или резины, делая эти материалы более дешевыми и биоразлагаемыми. МКЦ может служить компонентом строительных и отделочных материалов. Примеси МКЦ в бетон, смеси для штукатурки и внутренней отделки, гипсокартона, делают эти материалы более легкими и улучшают их тепло– и шумоизолирующие свойства.

Перевод растительной клетчатки в форму порошка МКЦ позволяет использовать ее как возобновляемый естественный источник углеводородного сырья, конкурентный по цене с ископаемыми углеводородами. Для России, богатой источниками растительной клетчатки, технологии использования МКЦ в качестве топливно-химического сырья может составить альтернативу ископаемому топливу. В МКЦ можно с одинаковой эффективностью перерабатывать целлюлозу из любых источников, не тратя на ее получение ценную древесину твердых пород. МКЦ можно получать из быстрорастущих деревьев и кустов, ивы, вербы, и подобных, из сухой травы и соломы, из сухой хвои и листвы опавшей с деревьев, и подобных источников биоклетчатки не имеющих полезного применения, но повсеместно доступных. Особенно богата источником целлюлозы Сибирь, эта огромная территория может быть практически неиссякаемым источником биоклетчатки. [538, 5-39].

Термин энергетическая ферма используется в очень широком смысле, обозначая производство энергии в качестве основного или дополнительного продукта сельскохозяйственного производства, лесоводства, аквакультуры, а также те виды промышленной и бытовой деятельности, в результате которых образуются органические отходы.

Наиболее характерный пример энергетических ферм представляют собой предприятия по выращиванию и комплексной переработке сахарного тростника. Следует отметить, что этиловый спирт и электроэнергию можно использовать для выращивания культур и выполнения транспортных операций.

Для выращивания и переработки урожая необходима энергия в форме солнечного излучения и в форме, пригодной для получения топлива для работы сельхозмашин, создания самих этих машин, получения удобрения и т. п. Для оценки эффективности получения энергии из того или иного вида биомассы необходимо проведение энергетического анализа.

Энергетический анализ – это определение затрат энергии энергопотребляющих и энергопроизводящих систем, позволяющий выделить технические и технологические аспекты процесса. На практике энергетический анализ и связанный с ним анализ экономических факторов получения и переработки биомассы агропромышленным методом оказываются достаточно сложными. Однако использование для получения тепла и электроэнергии дешевых отходов биомассы может иметь решающее значение при оценке эффективности того или иного процесса.[5-40].

Запасы углеводородного сырья исчерпаемы и этот факт огорчает европейцев, но не слишком. Цивилизация, как они считают, обязана ответить и на этот вызов. И вот эта идея реализована в Нидерландах: один из представленных вариантов – обогревать дома с помощью сточных вод. В Амстердаме находится крупная установка по очистке сточных вод. Потом образующийся в метантенках биогаз собирают, и снабжают им всю установку. Образующиеся излишки энергии тоже используются.

Эта технология называется – «экостилер».

«Экостилер» не единственная система, использующая вышеописанный принцип. В отличие от «экостилеров» при сжигании ненужного картона или кузовов получают синтез-газ. Газ под давлением уходит по трубам в дома. Таким образом, светом и теплом снабжают не менее 25 000 домов, которые находятся на площади примерно в 20 кв. км.

Те, кто воплотили идею в жизнь, не скрывают своих радужных ожиданий. «Мы надеемся, что Амстердам сможет почти наполовину сократить выбросы двуокиси углевода в атмосферу».

 

Литература

5-1. БИОМАССА

5-2.Эбеновое дерево., www.redfloor.ru

5-3.Быстрорастущая пальма www.vmireinteresnogo.com.

5-4.Гибридный тополь – тополь советский. www.sadoved.com.

5-5.Гибридные пирамидальные тополя. www.pushkino.tv.

5-6.Betula maximowicziana(берёза Максимовича) www.

imperiasada.com.ua.

5-7. Кипарисовик Лавсона “Columnaris” 190–210 см www.green-park.kg.

5-8.Хвойное дерево. Быстрорастущий сорт Туи www.uzhniy.ru.

5-9. Siemens – Биоэнергетика.,

5-10. Сорго сахарное., www.agro-trend.ru

5-11. Маниока., www.panama.ru.

5-12. Эйхорния – плавающее водное растение., www.chekltd.ru…

5-13. Морская водоросль – Ламинария., www.vodorosli-online.ru.

5-14. Бурые морские водоросли., www.roskosmetika.ru

5-15. микроводорослей Dunaliella., www.pro-fermu.ru.

5-16. Микроводоросль хлорелла., www.articles.agronationale.ru.

5-17. Биомасса(энергия биомассы)., www.ecomuseum.kz.

5-18. Древесные отходы., www.woodtechnology.ru.

5-19. Производство топливной щепы в лесу с помощью лесного комбайна с харвестерной головкой., www.lesopromyshlennik.ru.

5-20. Харвестеры., www.transtrader.ru.

5-21. Харвестер Ponsse Ergoharvester.,www.forvarder.com.

5-22. Харвестер., www.srub-stroi.ru.

5-23. Валочная головка Харвестера., www.vneshles.narod.ru.

5-24. Харвестер Форвардер John Deere Timberjack., www.tech4stroy.ru.

5-25. Форфардеры (транспортер) www.transtrader.ru.

5-26. John Deere Forwarder1010E.,www.avtorinok.ru.

5-27. Форвардер. www.lesprominform.ru.

5-28. Упакованные стебли кукурузы. www. esco-ecosys.narod.ru. 5-29. Эвкалипт царственный, www.angel-moi.ucoz.ru.

5-30. Использование топлива из биомассы в развивающихся странах., www.pomreke.ru.

5-31. Источник: www.pomreke.ru.

5-32. Биотопливо как неисчерпаемый источник., www.zerno-ua. 5-33. Ятрофа ядовитая – Jatropha curcas L test.zerno-ua.com.

5-34. Микрокристаллическая клетчатка.,

www.AlternativEnergy.ru.

5-35. Плоды Ятрофы рассеченной– Jatropha multifeda.,

ru.wikipedia.org.

5-36. Плоды Ятрофы www.westafricanplants.s.

5-37. Плоды Ятрофы ядовитой (Jatropha Curcas). на разных стадиях зрелости. www.fao.org.

5-38. Биоэнергетика ^Биоэнергетика в России.,

www.AlternativEnergy.ru.

5-39. Производство биомассы для энергетических целей., www.science-award.siemens.

5-40. Утилизация сточных вод.

 

6.1. Дрова

Древнейшее топливо, используемое человечеством. Для производства дров или биомассы выращивают энергетические леса, состоящие из быстрорастущих пород (тополь, эвкалипт и др.).

 

6.2. Топливные гранулы и брикеты

Прессованные изделия из древесных отходов (опилок, щепы, коры, тонкомерной и некондиционной древесины, порубочные остатки при лесозаготовках), соломы, отходов сельского хозяйства (лузги подсолнечника, ореховой скорлупы, навоза, куриного помета) и другой биомассы. Древесные топливные гранулы или пеллеты имеют форму цилиндрических или сферических гранул диаметром 8 – 23 мм и длиной 10–30 мм.

Рис. 6–1. Дрова, [6–1]

Рис. 6–2. Эвкалипт радужный., [6–2]

Рис. 6–3. Топливные брикеты…[6–3].

Брикеты и пеллеты выделяют больше тепла, чем опилки и щепа, увеличивая коэффициент полезного действия котельных, не требуют больших складских площадей и при хранении не самовоспламеняются. Но с другой стороны, автоматизировать процесс загрузки брикетов в топочное устройство довольно сложно. С этой точки зрения гораздо удобнее топливные гранулы – пеллеты.

Рис. 6–4 Пеллеты.,[6–4].

Это цилиндрические прессованные изделия из высушенной древесины. Сырьем для их изготовления могут быть опилки, стружка, щепа и другие отходы деревообработки. В состав пеллет также может входить торф и измельченная древесная кора. Пеллеты производятся без химических закрепителей под высоким давлением.

Теплотворная способность пеллет сравнима с углем и составляет 4,3 – 4,5 кВт / кг. При сжигании 1 тонны пеллет выделяется столько же энергии, сколько при сжигании 1,6 тонн древесины, 480 м3 газа, 500 литров дизельного топлива или 700 литров мазута.

Пеллеты намного экологичнее традиционного топлива: в 10 – 50 раз ниже эмиссия углекислого газа в воздушное пространство, в 15 – 20 раз меньше образование золы, чем при сжигании угля. Затраты энергии на производство древесных гранул составляют примерно 3 % от содержания энергии, что гораздо ниже затрат на получение природного газа или мазута.

Пеллеты используются для сжигания в домашних каминных печах и отопительных устройствах. Это печи с открытым пламенем, которые устанавливаются внутри помещения и отдают тепло за счет теплового излучения или вследствие конвекции. Именно этот тип теплового излучения считается наиболее комфортным для человека. Нагревательные устройства, работающие на пеллетах, регулируются в автоматическом режиме. Единственный недостаток этих отопительных систем в том, что необходимо периодически удалять золу. Зато её можно не выбрасывать и использовать в качестве удобрения.

Потребление пеллет как вида топлива растет быстрыми темпами. Котельные на биотопливе пользуются в Европе большой популярностью. В Германии в течение 2002 года было установлено более 5000 котлов, работающих на пеллетах. В Северной Рейн Вестфалии (Германия) до 2006 года правительство этой земли планировало заменить 500 тыс. устаревших котлов на биотопливые. Правительство спонсирует каждый установленный котел в размере 3 тыс. евро. Растет количество производителей автоматических котлов, работящих на паллетах. По прогнозам Института энергетики и охраны окружающей среды ФРГ, к 2007 году в Германии работало более 1 млн котлов и печей на пеллетах. Ежегодный расход пеллет составит 4 млн тонн.

В Швеции потребление пеллет ежегодно растет примерно на 30 %. Правительственной программой Швеции было увеличено потребление пеллет до 7 млн тонн в год к 2010 году.

Постепенный перевод котельных европейских стран на пеллеты ставит проблему гарантированной и бесперебойной поставки биотоплива. А это невозможно без импорта древесного сырья [6–5].

1.3. Энергоносители биологического происхождения (главным образом навоз и т. п.) брикетируются, сушатся и сжигаются в каминах жилых домов и топках тепловых электростанций, вырабатывая дешёвое электричество.

1.4. Отходы биологического происхождения – необработанные или с минимальной степенью подготовки к сжиганию: опилки, щепа, кора, лузга, шелуха, солома и т. д.

1.4.1. Древесная щепа – производится путем измельчения тонкомерной древесины или порубочных остатков при лесозаготовках непосредственно на лесосеке или отходов деревообработки на производстве при помощи мобильных рубительных машин или с помощью стационарных рубительных машин (шредеров). В Европе щепу в основном сжигают на крупных теплоэлектростанциях мощностью от одного до нескольких десятков мегаватт.

1.5. Топливный торф (фрезерный) – сжигается в отопительных печах, водогрейных котлах и тепловых электростанциях.

Рис. 6–5. Торфяные брикеты., [6–6].

Рис. 6–6. Брикет торфяной – таблетка., [6–7]

Торф – горючее полезное ископаемое растительного происхождения, предшественник генетического ряда углей. По определению торф является органической горной породой, содержащей не более 50 % золы, образовавшаяся в результате биохимического расклада болотных растений в условиях повышенной обводненности и дефицита кислорода.

Рис. 6–7. Российская линия брикетирования и гранулирования., [6–8]

Рис. 6–8. Оборудование для производства топливных брикетов, Уфа.,[6–9]

От ближайшей горной породы в ряде каустобиолитов – бурых углей по физическим свойствам он отличается повышенным содержанием влаги, рыхлой структурой, низкой плотностью, а химическим – наличием широкого класса органических водо-растворимых и легкогидролизуемых соединений, гуминовых кислот, сахаров, битумов, гемицеллюлоз и целлюлозы. С современных представлений физикохимической механики природных дисперсных систем торф представляет сложную многокомпонентную, многофазную, полидисперсную полуколлоидно-высокомолекулярную систему с признаками полиэлектролитов и микромозаичной гетерогенности. [6-10].

Ежегодный прирост запасов торфа в мире ок. 500 млн. тонн – это ресурс для производства 14.5 ЭДж электроэнергии в год.

Энергетические леса – 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

Слоновья трава, Miscanthus giganteus

Рис. 6–9. Слоновья трава, [6-11].

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 (мировые земельные ресурсы), потенциальный выход электроэнергии составит 180 млрд. кВт. ч.

 

Литература

6-1. Дрова, www.asi.org.ru.

6-2.Эвкалипт радужный., www.glamyrka.com.

6-3.Топливные брикеты., www.enik-pilomat.ucoz.net.

6-4. Пеллеты.

6-5. Будущее – за пеллетами., www.new-pellet.ru.

6-6. Торфяные брикеты., www.vladivostok.neobroker.ru.

6-7. Брикет торфяной – таблетка., www.vologodskaya.all.biz.

6-8. Российская линия брикетирования и гранулирования. www.promsnab.dn.ua.

6-9. Оборудование для производства топливных брикетов, Уфа., www.doskaurala.ru.

6-10. Рациональное использование торфа и сапропеля в России www. 2.gaz.kostroma.ru.

6-11. Слоновья трава, www.anticomprador.ru.

 

Нефть – кровь современной экономики. Она – символ власти, богатства, войны, коррупции, политических интриг и экономических страхов. С каждым годом ее требуется все больше, а стоит она все дороже. [7–1]

 

7.1. Введение

Министерство энергетики США выяснило, что электромобили не станут популярными даже в 2040 году. [7–2]

Рис. 7–1. Электромобиль.[7–2].

Министерство энергетики США считает, что электромобили не будут пользоваться спросом даже в 2040 году.

Министерство энергетики США опубликовало ежегодный отчет (апрель 2013) о перспективах энергетических рынков Annual Energy Outlook (EIA). В документе, в частности, был поднят вопрос о типе автомобилей, который будет доминировать в будущем.[7–3].

По данным экспертов, в 2040 году 78 % автомобилей на дорогах США будут оснащены двигателями внутреннего сгорания (ДВС), работающими на горючем топливе естественного происхождения.

При этом 42 % всех автомобилей с ДВС будут оснащены системами «старт-стоп» и рекуперативными тормозами, которые позволяют сохранять полученную от замедления машины энергию.

Заряжаемые от электросети гибриды и «чистые» электромобили составят лишь по 1 % автопарка соответственно. Традиционные гибриды, которые пользуются и ДВС, и электромотором, составят около 5 % автомобилей на дорогах.

Вместе с тем средний расход топлива автомобилей в США должен составить в 2040 году 6,3 л на 100 км пути против нынешних 11 л.

Тем не менее, данный результат все же отстает от задачи, поставленной администрацией президента США Барака Обамы на 2025 год. По мнению главы государства, к этому сроку все новые автомобили на рынке США должны потреблять не более 4,3 л на 100 км пути.

По данным министерства энергетики, с учетом постоянного роста добычи нефти в 2040 году литр бензина будет стоить в США около $1,03. Такой же объем дизельного топлива будет стоить в 2040 году уже $1,3. Стоит отметить, что легковые автомобили с дизельными двигателями редко встречаются в США: по прогнозу EIA, их доля к 2040 году возрастет лишь до 4 % с нынешних 2 %.

Вместе с тем в министерстве предполагают, что количество автомобильных поездок к 2040 году увеличится на 30 %. [7–4].

Одними из важнейших направлений современной Биоэнергетики является:

1) промышленное разведение растений – продуцентов углеводородов,

2) биотехнологическая конверсия (получение этилового и других спиртов, органических кислот, растворителей из различных видов биомассы;

3) термохимическая конверсия (прямое сжигание, газификация, пиролиз, сжижение, фест-пиролиз, синтез) для получения жидкого топлива;

4) Химико-каталитическая конверсия биотоплив второго порядка: биоэтанола, растительных масел, целлюлозы в жидкие топлива третьего порядка: бензин и керосин и другие углеводороды алканового ряда с общей формулой CnH2n+2

 

7.2. Жидкие биотоплива

 

7.2.1. Биоуглеводороды

Термин БИОУГЛЕВОДОРОДЫ объединяет органические соединения углеводородной структуры, либо продуцируемые непосредственно флорой, либо получаемые из органических веществ фотосин-тетического происхождения посредством термохимических процессов или биохимического или химического катализа.

В настоящее время в плане создания промышленных производств биоуглеводородов особый интерес представляют разнообразная макрофлор– и микроорганизмы: бактерии, водоросли, грибы.

Рис. 7–2. Карта-схема Крупнейших производителей биотоплива в мире. 2008 г. Россия на схеме не отмечена-она идет своим путем. [5].

На рис. 7–2 показаны химический (черный), б) биологический (зеленые), и в) тепловой (красный) пути производство биоуглеводородов, полученных из I), древесной биомассы и б) водорослей. Производство бензина или дизельного эквивалента зависит от технологии… Топливо для реактивных двигателей также может быть произведено.

Широкий простор перед исследователями и производителями открывает генная инженерия.

Рис. 7–3. Пути образования биоуглеводородного топлива.

 

7.2.2. Биоэтанол [7–6]

Рис. 7–4. Объемная формула биоэтанола. [7–6].

Этанол – одноатомный спирт с формулой C2H5OH (С2Н60), другой вариант:

СН3-СН2-0Н, второй представитель гомологического ряда одноатомных спиртов, при стандартных условиях летучая, горючая, бесцветная прозрачная жидкость. Молярная масса: 46,06844 г/моль… Плотность: 789,00 кг/м3 Температура кипения: 78,37 °C

Температура плавления: -114 °C

Давление насыщенного пара: 5,95 кПа

Этиловый спирт используется как топливо, в качестве растворителя, как наполнитель в спиртовых термометрах и как дезинфицирующее средство (или как компонент его).

Биоэтанол получается при переработке углеводов растительного сырья. Этанол можно производить в больших количествах из целлюлозы. 80 % этанола имеет топливное применение, 12 %– техническое и 8 % – пищевое.

Рис. 7–5. Производство биоэтанола в мире, млрд. л. [7–7].

Рис. 7–6. Прогноз мирового потребления биоэтанола, млн. литров [7–8].

В 2009 году мировое производство составило 59.3 млн. т (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 (31.2 млн. т -54 %), Бразилия (19.4 млн. т – 34 %) и ЕС-2.9 млн. т (5 % мирового производства).

19 декабря 2007 года президент США подписал закон о Энергетической независимости и безопасности (EISA of 2007). EISA от 2007 предусматривает производство 132.5 млн. тонн этанола в год к 2022 году. При этом 73 млн. куб. м или 60 млн. т этанола будет производиться из целлюлозы – не пищевого сырья.

Топливные смеси этанола Е5, Е7, Е10 – смеси с низким содержанием этанола (5, 7 и 10 весовых процентов, соответственно), наиболее распространённые на рынке.

Рис. 7–7. План типичного американского завода биоэтанола. [7–9].

Топливный баланс этанола равен 1.24. То есть из этанола, произведённого из кукурузы, можно получить на 24 % энергии больше, чем было затрачено при производстве этанола.

Топливный баланс бензина хуже, чем у этанола. Для производства бензина требуется большое количество энергии: для разведки нефти, её добычи, транспортировки (нужно строить танкеры и трубопроводы), переработки, доставки бензина и т. д.

Рис. 7–8. Схема производство этанола из пшеничной муки.[7-10].

Рис. 7–9. Завод по производству этанола в Зап. Бёрлингтоне, шт. Айова, США. [7-11] / Рис. 7-10. Заправочная станция в Бразилии, продающаяэтанол. [7-11].

Топливный баланс этанола, производимого из целлюлозы может достигать 2. Это открывает широкие возможности для России.

Рис. 7-11. Citroen выпускает первый автомобиль на биотопливе [7-56].

Рис. 7-12. GM создал Hummer H3 на биотопливе [7-57]

Рис. 7-13. Внедорожники Hummer будут работать на биотопливе [7-58].

Крупнейшие автопроизводители США Форд и Дженерал Моторс уже создали модели автомобилей, работающих на этаноле. Остается только сделать альтернативное топливо более дешевым и доступным. Автомобиль был припаркован у здания Конгресса США в то самое время, когда там обсуждались проблемы развития производства топлива из биомассы в мае этого года. [7-62].

Рис. 7-14. Елизавета II за «зелёных»: королевский Bentley переводится на биотопливо [7-59].

США в августе 2005 года приняли «Энергетический Билль» (Energy Policy Act of 2005), и «Стандарт возобновляемых видов топлив» (Renewable Fuels Standard). Они предусматривают к 2012 году ежегодное производство 30 миллиардов литров этанола из зерновых и 3,8 миллиард литров из целлюлозы (стебли кукурузы, рисовая солома, отходы лесной промышленности и т. д.).[7-12].

 

7.2.2.Сырьё для производства биоэтанола

Многочисленные виды сырья для производства этанола можно разделить на три типа: а) сахар, получаемый из сахарного тростника, сахарной свеклы или фруктов, который может быть непосредственно преобразован в этанол; б) крахмалы из зерновых культур и корнеплодов, которые должны быть подвержены гидролизу в присутствии ферментов для получения ферментируемого сахара; в) целлюлоза из древесины, сельскохозяйственных отходов и т. д., которая должна быть превращена в сахариды с использованием либо кислот, либо ферментативного гидролиза. [13].

Рис. 7-15. Отходы переработки сахарного тростника (багасса) [7-13].

В настоящее время большая часть биоэтанола производится из кукурузы(США) и сахарного тростника (Бразилия). Сырьём для производства биоэтанола также могут быть различные с/х культуры с большим содержанием крахмала или сахара: маниок, картофель, сахарная свекла, батат, сорго, ячмень и т. д.

Большим потенциалом обладает маниок. Маниоку в больших количествах производят Китай, Нигерия, Таиланд. Себестоимость производства биоэтанола из маниоки в Таиланде – около $35 за баррель нефтяного эквивалента.(22 цента/ литр).

Лучшим климатом для производства сахарного тростника обладает Перу, страны Карибского бассейна. В больших количествах сахарный тростник могут также производить Индонезия и некоторые африканские страны, например, Мозамбик.

Крупнейшие производители биоэтанола в США компании Archer Daniels Midland и Cargill.

Этанол можно производить в больших количествах из целлюлозы. Сырьём могут быть различные отходы сельского и лесного хозяйства: пшеничная солома, рисовая солома, багасса сахарного тростника, древесные опилки и т. д.

Известный с давних времён способ получения этанола – спиртовое брожение органических продуктов, содержащих углеводы (виноград, плоды и т. п.) под действиемферментов дрожжей и бактерий

Аналогично выглядит переработка крахмала, картофеля, риса, кукурузы, и проч. Реакция эта довольно сложна, её схему можно выразить уравнением:

C6H12O6 → 2C2H5OH + 2CO2

В результате брожения получается раствор, содержащий не более 15 % этанола, так как в более концентрированных растворах дрожжи обычно гибнут. Полученный таким образом этанол нуждается в очистке и концентрировании, обычно путем дистилляции.

 

7.2.3. Промышленное производство спирта из биологического сырья

Современная промышленная технология получения спирта этилового из пищевого сырья включает следующие стадии:

• подготовка и измельчение крахмалистого сырья – зерна (прежде всего – ржи, пшеници. Картофеля и др.);

• ферментация. На подавляющем большинстве спиртовых производств мира ферментативное расщепление крахмала до спирта при помощи дрожжей оставлено.

Для этих целей применяются рекомбинантные препараты альфа-амилазы, полученные биоинженерным путем – глюкамилаза, амило-субтилин.

• брагоректификация. Осуществляется на разгонных колоннах.

Отходами бродильного производства являются барда и сивушные масла.

Барда используется для производства кормов.

 

7.2.4.Гидролизное производство

В промышленных масштабах этиловый спирт получают из сырья, содержащего целлюлозу(древесина, солома), которую предварительно гидролизуют. Образовавшуюся при этом смесь пентоз и гексоз подвергают спиртовому брожению.

В странах Западной Европы и Америки эта технология не получила распространение. В СССР она широко использовалась для производства кормовых гидролизных дрожжей и гидролизного этанола.

 

7.2.5.Энергоэффективность этанола

В декабре 2007 года Университет Северной Дакоты и Центр Автомобильных Исследований Миннесоты (MnCAR) опубликовали результаты исследования энергоэффективности применения биоэтанола в автомобильном транспорте [12].

В исследовании принимали участие как обычные автомобили, так и автомобили с Flex-fuel двигателями. Исследовали смеси от 2 % до 85 % содержания этанола в бензине.

Рис. 7-16. Производство этилового спирта из гидролитзатов древесины, г. Тавда, Свердловская обл. РФ. [7-14].

Для обычных автомобилей наиболее оптимальной оказалась смесь 30. Потребление топлива снизилось на 1 % в сравнении с бензином. Результат получен на автомобилях Toyota Camry и Ford Fusion. Для flex-fuel автомобилей оптимальной оказалась смесь Е20. Потребление бензина снизилось на 15 %.

Результат получен на flex-fuel модели Chevrolet Impala.

 

7.2.6.Топливный баланс этанола

В 2005 г. начали появляться исследования, в которых утверждалось, что этанол, производимый из кукурузы, имеет отрицательный энергетический баланс.

В 2006 г. в своём отчёте Департамент сельского хозяйства США (USDA) сообщил, что этанол имеет топливный баланс 1,24. То есть из этанола, произведённого из кукурузы, можно получить на 24 % энергии больше, чем было затрачено при производстве этанола.

В Бразилии багасса сахарного тростника используется в качестве топлива на электростанциях. Это позволяет увеличить топливный баланс этанола, производимого из сахарного тростника, до 8.

Топливный баланс этанола, производимого из целлюлозы может достигать 2.

 

7.2.7.Экологические аспекты применения этанола в качестве топлива

Использование биоэтанола в качестве топлива позволяет снизить выбросы диоксида углерода, являющегося парниковым газом. Сокращение выбросов диоксида углерода при использовании биоэтанола зависит от используемого растительного сырья, климатической зоны и накладных расходов на его выращивание, транспорт и переработку, поскольку в этих процессах используется ископаемое топливо (агротехнические работы, сушка зерна при закладке на хранение, производство удобрений для восстановления плодородия почв, ректификация спирта и переработка отходов). Снижение выбросов CO2 при производстве этанола из зерна по состоянию на 2007 г. в США составляло в среднем 19 %, предполагается, что при модернизации спиртового производства и переводе его исключительно на природный газ возможно снижение выбросов углекислого газа на 28–32 %.

Максимальное снижение выбросов CO2 может быть достигнуто при производстве этанола из целлюлозосодержащих отходов (например, отходов лесной промышленности, 52 %) в качестве как источников целлюлозы, так и топлива в спиртовом производстве; теоретический максимум снижения выбросов – 82 %– может быть достигнут при производстве этанола из целлюлозной биомассы проса Panicum virgatum, однако такие производствав настоящее время (на 2011 г.) отсутствуют [7-12].

Главной проблемой производства биоэтанола из товарной сельско-хозяйственной продукции, в первую очередь из зерна, является сокращение доли земель, занятых под производство кормовых и пищевых культур и, как следствие, рост цен на продовольствие. Так, по оценкам бюджетного комитета Конгресса США, вклад роста использования зерна для производства этанола в повышении цен на продовольствие составил 35 %[7-12].

Содержащийся в этаноле кислород, позволяет более полно сжигать углеводороды топлива. 10 % содержание этанола в бензине позволяет сократить выхлопы аэрозольных частиц до 50 %, выбросы СО – на 30 %.

В 2006 году применение этанола в США позволило сократить выбросы около 8 млн тонн парниковых газов (в СО2 эквиваленте), что примерно равно годовым выхлопам 1,21 млн автомобилей.

 

7.2.8. Автомобили, использующие биоэтанол в качестве топлива

В январе 2007 года, в своём ежегодном послании Конгрессу Дж. Буш предложил план «20 за 10». План предлагает сократить потребление бензина на 20 % за 10 лет, что позволит сократить потребление нефти на 10 %. 15 % бензина предполагается заменить биотопливом. 19 декабря 2007 года президент США Дж. Буш подписал закон о Энергетической независимости и безопасности (EISA, 2007). [7-12].

Этанол является менее «энергоплотным» источником энергии чем бензин; пробег машин, работающих на Е85 (смесь 85 % этанола и 15 % бензина; буква «Е» от английского Ethanol), на единицу объёма топлива составляет примерно 75 % от пробега стандартных машин. Обычные машины не могут работать на Е85, хотя двигатели внутреннего сгорания прекрасно работают на Е10 (некоторые источники утверждают, что можно использовать даже Е15). На «настоящем» этаноле могут работать только т. н. «Flex-Fuel» машины («гибкотопливные» машины). Эти автомобили также могут работать на обычном бензине (небольшая добавка этанола всё же требуется) или на произвольной смеси того и другого. Бразилия является лидером в производстве и использовании биоэтанола из сахарного тростника в качестве топлива. Автозаправки в Бразилии предлагают на выбор Е20 (или Е25) под видом обычного бензина, или «acool», азеотроп этанола (96 % С2Н5ОН и 4 % воды; выше концентрацию этанола невозможно получить путём обычной дистилляции). Пользуясь тем, что этанол дешевле бензина, недобросовестные заправщики разбавляют Е20 азеотропом, так что его концентрация может негласно доходить до 40 %. Переделать обычную машину в «flex-fuel» можно, но экономически нецелесообразно.

Критики применения этанола в качестве автомобильного топлива зачастую заявляют, что под плантации тростника часто вырубаются тропические леса Амазонки. Но сахарный тростник не растёт в бассейне Амазонки.

Более серьёзным является то, что при сгорании этанола в выхлопных газах двигателей появляются альдегиды (формальдегид и ацетальдегид), наносящие живым организмам не меньший ущерб, чем ароматические углеводороды. [15].

К 2022 году, автомобили должны сжигать до 106.7 млн. т биотоплива в год, что эквивалентно одной четверти США потребление бензина сегодня (2010). Производство этанола из кукурузы неуклонно растет от 8.85 млн. т в 2005 году до 35.8 млн. т в 2010 году. 10 % этанола смешивается с 90 % бензина Более высокая концентрация этанола может привести к повреждению двигателей. Конгресс планирует ограничить производство топливного этанола из кукурузы до 44.4 млн. т к 2015г

Эксперты США полагают, что в ближайшие годы будут разработаны промышленные технологии получения биоэтанола из целлюлозы – до 415 млн. т в год.

Однако основным тормозом развития этого направления являются высокие стоимости на этанол – до 120 $ за баррель по сравнению с 75$ за баррель нефти. [7-16].

 

7.2.9. Биоэтанол, производство биоэтанола [7-17]

Этанол в качестве моторного топлива наиболее широко используется в Бразилии, что обусловлено значительными возможностями его производства. Более 90 % автомобилей в стране работают на моторном топливе, содержащем этанол. В 1991 г. была принята программа, предусматривающая обязательное применение 5 % этанола в составе бензина. В 2000 г. содержание этанола было доведено до 20 %. В ближайшие годы этанол будет составлять в среднем около 24 % в топливном балансе страны. Бразилия является крупнейшим в мире производителем этанола (до 16,0 млн т в год). Практически весь этанол в Бразилии получают ферментацией сахарного тростника или черной патоки. Около 240 тыс. т топливного этанола Бразилия импортирует из других стран. Все это стало возможным благодаря национальной программе по широкомасштабному использованию этанола в качестве автомобильного топлива и субсидиям правительства, которые получили соответствующую финансовую поддержку Мирового банка. В последнее время Бразилия использует в качестве топлива смеси, в которых содержание этанола составляет уже 26 % в бензине и 3,3 % – в дизельном топливе.

Огромный опыт производства и использования биоэтанола накоплен США.

В 2006 г. США опередили Бразилию, произведя 18,5 млн т биоэтанола из кукурузы и сорго. Благодаря производству этанола США ежегодно экономят около 1,5 млрд долл. на импорте нефти, несмотря на то что стоимость этанола выше стоимости бензина.

В соответствии с Законом «О возобновляемых топливах для обеспечения энергетической безопасности США» содержание этанола в бензине должно быть увеличено с 1,3 до 5 %. При производстве бензина в количестве 380–400 млн т это потребует производства этанола на уровне 15–20 млн т. В США планируется утроить выработку этанола. По инициативе сената использование этанола должно быть доведено до 54,6 млн. т в год к 2010 г. до 68 млн. т-к 2015 г. и примернодо 168 млн. т-в 2020 г. Таким образом, этанол на 25 % заменит бензин, сейчас его доля в топливе для автомобилей составляет до 10 %. Из валового сбора кукурузы на производство этанола может быть направлено 25 % урожая. При использовании высококрахмалистых сортов кукурузы (при 70 % крахмала в зерне) из 1 т получают 0,38 т биоэтанола.

По экологическим соображениям и для замены нефтепродуктов производство и потребление этанола растет во многих странах мира. В 2005 г. оно составило около 45 млн м3, из них в США и Бразилии – по 36 %, в Азии – 15, в ЕС-б, в прочих – 7 %. Прогноз на 2010 г. составляет 90 млн м3, т. е. удвоение производства, из них ожидается в СШЛ -40 %, в Бразилии – 28, в Азии – 17, в ЕС – 9 %, в Африке – 1 % и в остальных– 5 %.

 

7.2.10. Национальные программы по производству и использованию биоэтанола

Национальные программы по производству и использованию биоэтанола действуют во многих странах. В 2005 г. производство этанола составило (млн т): в Китае – 3,8, в Индии – 1,7, во Франции – 0,9, в России – 0,75, в Германии – 0,43, в ЮАР – 0,39, в Великобритании – 0,35, в Испании – 0,3.

Бензин и этанол – мировые перспективы.[7-18]. Основные потребители биоэтанола и производители этанолового топлива.

Топливный этанол потребляется нефтеперерабатывающими и нефтехимическими предприятиями, занимающимися производством и реализацией автомобильного топлива в Европе.

Промышленные потребители этанола используют его в качестве сырья в следующих целях: 1. Производство этилового тетрабутилового эфира (ЭТБЭ) и дальнейшее смешивание добавки с бензиновым топливом. 2. Производство топливной смеси с 5-процентным содержанием этанола (Е-5). 3. Производство этанолового топлива с 85процентной концентрацией этанола (Е-85).

Большая часть этанола (90 %) потребляется нефтеперерабатывающими заводами, приспособленными под производство ЭТБЭ. В последние годы в связи с улучшением налогового режима растет интерес производителей к производству Е-5, однако объемы производства и реализации пока несущественны во всех странах, кроме Швеции, а потребление Е-85 наблюдается только в Швеции.

Поставки этанола на нефтеперерабатывающие мощности осуществляются в рамках стратегических соглашений о сотрудничестве и взаимопонимании, заключаемых между крупными нефтяными концернами и производителями биоэтанола. Условия подобных соглашений о сотрудничестве и взаимопонимании являются уникальными в каждом конкретном случае.

Если проследить географию расположения заводов по производству биоэтанола и ЭТБЭ, становится ясно, что производители топливного этанола стремятся строить заводы как можно ближе к нефтеперерабатывающим мощностям. Поскольку ввиду гидроскопичности этанол не может транспортироваться по трубопроводу, транспортировка и логистика являются болезненным моментом для европейских производителей этанола.

В последние несколько лет участились случаи совместного создания нефтеперерабатывающими предприятиями и производителями этанола промышленных объектов по производству ЭТБЭ из биоэтанола. В частности, такие соглашения существуют между французской компанией Total и финской Neste Oil. В Испании подобная система отношений существует с 2004 г. между ведущим производителем этанола Abengoa и крупнейшей испанской нефтеперерабатывающей компанией Cepsa.

Этаноловое топливо с 85-процентной концентрацией этанола (Е-85).

Производством и реализацией Е-85 в Швеции занимаются три крупнейших нефтяных концерна: OK-Q8, Preem и Statoil.

OK-Q8 представляет собой крупнейшую дистрибьюторскую сеть автомобильного топлива Швеции. Е-85 продается конечным потребителям на 176 из 308 АЗС компании. По собственным данным компании, в январе 2006 г. месячный объем реализации Е-85 составил 6,87 млн л, а за сентябрь 2006 г. – уже 16 млн. л.

Preem Petroleum AB – крупная нефтеперерабатывающая компания, на которую приходится около 75 % объемов нефтепереработки в Швеции и около 25 % – в Норвегии. В 1996–1997 гг. Preem приобрела нефтеперерабатывающий бизнес компании Jet's. Примерно половина продукции Preem Petroleum экспортируется по всему миру.

Компания располагает также двумя нефтеперерабатывающими заводами в Финляндии в Готенборге (Gothenburg) и Лисекиле (Lysekil), а также 500 АЗС на территории стран ЕС. За 9 месяцев 2006 г., по собственным данным Preem, на принадлежащих ей АЗС в Швеции было реализовано 580 млн литров Е-85.

Statoil – норвежская нефтедобывающая и нефтеперерабатывающая компания. По собственным данным компании, Statoil не производит ЭТБЭ и бензиновые смеси с содержанием этанола на собственных мощностях, однако достаточно активно занимается дистрибьюцией топливного этанола и смесей через свою заправочную сеть.

Этиловый тетра-бутиловый эфир (ЭТБЭ).

Этил-трет-бутиловый эфир (ЭТБЭ) – бесцветная, прозрачная, подвижная, легковоспламеняющаяся жидкость с эфирным запахом.

Практически не растворим в воде, но образует с ней азеотропную смесь. Смешивается со многими органическими растворителями, в том числе с алифатическими и ароматическими углеводородами, этанолом, метанолом, диэтиловым эфиром, хлороформом, четыреххлористым углеродом.

Рис. 7-17. Структурная формула Этил-тетра-бутилового эфира.

Mr 102.18; bp 73 °C; mp -97 °C; d 0.742 g/cm3; nd20 1.3756;

Крупнейшим производителем ЭТБЭ в ЕС является французская компания Total. Total – фактически единственный производитель ЭТБЭ во Франции и основной промышленный потребитель этанола во Франции.

Переработка этанола осуществляется на трех заводах компании в Дюнкерке, Фезине и Гонфревилле. Впервые производство ЭТБЭ было начато компанией в Фезине в 1993 г. Несколько позже Total заключила соглашение с Французской Национальной Ассоциацией производителей пшеницы и Французской Конфедерацией производителей сахарной свеклы о создании двух совместных компаний, которые займутся созданием и управлением линий по переработке этанола в ЭТБЭ на базе нефтеперерабатывающих мощностей Total в Дюнкерке и Гавре.

По данным компании Total, в 2004 г. совокупный объем производства ЭТБЭ на трех ее заводах составил 190 тыс. метрических т. Поставки этанола на перерабатывающие мощности Total осуществляют преимущественно французские компании Tereos, Cristal Union и SLS.

В конце 2005 г. компании Total и финская нефтеперерабатывающая компания Neste Oil подписали соглашение о взаимопонимании, которое касается перспектив сотрудничества в рамках проекта строительства во Франции нового завода по производству биотоплива (как биоэтанола, так и биодизельного топлива) первого и второго поколения. Neste Oil удалось собственными силами разработать и протестировать уникальную (на сегодняшний день) технологию производства биотоплива из древесных отходов.

Хотя подробности сделки не разглашаются, очевидно, что Neste Oil предоставит для проекта, прежде всего, свои технологии, а Total обеспечит сбыт готового топлива.

Немецкая нефтеперерабатывающая компания PCK Schwedt является одним из основных потребителей этанола как на внутреннем рынке Германии, так и в международной торговле этанолом. В 2004 г. объем производства ЭТБЭ компании PCK Schwedt составил 80 тыс. метрических тонн (информация компании). До введения в 2005 г. в эксплуатацию новых мощностей в Германии PCK Schwedt импортировала большую часть этанола из других стран ЕС.

Капитал PCK Schwedt практически поделен между компаниями Agip, Total, Shell и BP через цепь дочерних компаний Ruhr Gmbh (акционер BP), Shell Deut-schland Oil Gmbh и AET-Raffineriebeteili-gungsgesellschaft (акционеры Agip, Total и ENI). PCK Schwedt ежегодно перерабатывает около 10,5 млн т сырой нефти, большая часть которой импортируется из России.

Австрийская компания OMV AG является лидером в области нефте– и газодобычи и переработки в странах Центральной Европы. OMV AG принадлежат 35 % в капитале Borealis A/S, 10 % – в Hungarian MOL Group, 51 % – в Petrom SA, которая является лидером на рынке Румынии, 45 % – в Bayernoil Raffineriege-sellschaft mbh и пр. OMV AG представляет собой диверсифицированную в географическом и продуктовом аспекте холдинговую группу.

Фактически группа OMV AG контролирует нефтедобычу и нефтепереработку в Венгрии, Румынии, а также в Словакии. Дочерней компании Petrom SA принадлежит контрольный пакет в словацкой компании Slovnafta MOL.

Neste Oil – финская нефтеперерабатывающая компания, располагающая двумя заводами в Финляндии в Пурву и Наантали, а также одним заводом в Португалии в Синесе. ЭТБЭ производится компанией в Пурву и Синесе.

Совокупная производственная мощность завода в Пурву составляет 9,8 млн т условного топлива, линии по производству ЭТБЭ – 112 тыс. т в год. Производство ЭТБЭ было начато Neste Oil в Пурву в 2004 г.

Завод в Португалии был построен в 1992 г. для производства МТБЭ, а в начале 2005 г. был адаптирован для производства ЭТБЭ. Годовая мощность линии по производству ЭТБЭ – 50 тыс. т.

По сведениям Национального доклада Финляндии за 2005 г., Neste Oil импортирует этанол, в основном, из Бразилии, переработка этанола в ЭТБЭ и смешивание ЭТБЭ с бензиновым топливом осуществляются в Финляндии. Конечный продукт затем вновь экспортируется, причем большая часть приходится на страны Скандинавии и Балтии.

Крупным потребителем топливного этанола в Европе является американская химическая компания Lyondell. Штаб-квартира Европейского подразделения находится в Роттердаме, Нидерланды. Компания располагает производственными мощностями во Франции (Фосс-сюр-Мер, Гавр, Понт-де-Кле), в Нидерландах (Ботлек, Маасвлакте), в Великобритании (Стеллинборо), однако оценить хоть сколько-нибудь точно объемы производства ЭТБЭ и величину спроса на топливный этанол не представляется возможным, т. к. Lyondell, являясь одним из крупнейших химических концернов мира, имеет огромную продуктовую линейку и предъявляет спрос на этанол не только для производства обогащающих добавок к бензину, но и для производства иных химических товаров.

В Испании основным производителем ЭТБЭ является компания Cepsa, которой, как уже упоминалось выше, принадлежит совместно с Abengoa Energia завод по производству ЭТБЭ ETBE Huelva. В 2004 г. на заводе было произведено 22,5 млн. литров ЭТБЭ, в 2005 г. – 43,5 млн литров.

Cepsa принадлежит также еще один нефтеперерабатывающий завод в Сан-Роке (Кадис), на котором производственная линия, предназначенная для производства МТБЭ, была перепрофилирована на производство ЭТБЭ еще в 2002 г. Таким образом, Cepsa располагает двумя заводами, снабжение обоих этанолом осуществляет Abengoa Energia.

В рамках группы Cepsa управление мощностями в Кадисе и Уэльве осуществляет компания Petrocepsa.

В Литве, по данным национальных докладов за 2004 и 2005 гг., нефтеперерабатывающая компания AB Mazeiku Nafta в 2004–2005 гг. переоборудовала свои мощности для производства ЭТБЭ, однако объемы производства совсем невелики. Кроме того, на литовском рынке AB Mazeiku Nafta сталкивается с конкуренцией со стороны Neste Oil и других скандинавских компаний.

Снабжение компании этанолом осуществляет завод компаний AB Stumbras – Biofuture в Силюте, а также экспортеры из других стран ЕС.

Mazeiku Nafta была частично приватизирована в 1998 г. В сентябре 2002 г. 53,7 % компании приобрела компания Yukos Finance B.V. – дочернее предприятие российской нефтедобывающей компании "Юкос", 40,66 % акций являются государственной собственностью и управляются Министерством экономики Литвы.

Интересно отметить, что в Великобритании единственным дистрибутором автомобильного топлива с содержанием этанола (до 5 %) является корпорация Tesco – одна из крупнейших сетей розничной торговли в мире. Топливо типа Е-5 продается на 185 АЗС, принадлежащих Tesco и расположенных на юго-востоке и северо-западе Англии. Торговая марка топлива – Tesco 99 Octane. Однако, Tesco не является производителем этанолосодержащего топлива. Снабжение АЗС компании осуществляет Greenergy Fuels Ltd, 25 % капитала которой принадлежат Tesco.

Greenergy Fuels Ltd занимается нефтепереработкой, и на компанию приходится около 50 % британского рынка биотоплива и около 6,5 % рынка автомобильного топлива. Помимо производства смесей Е-5 Greenergy Fuels активно работает на рынке биодизельного топлива.

Некоторые объемы производства ЭТБЭ имеют и крупнейшие европейские нефтедобывающие и нефтеперерабатывающие компании BP, Shell, Conoco и американская ExxonMobil, однако, в отличие от Total, эти компании достаточно скромно оценивают перспективы развития рынка биотоплива. В своих стратегических планах все крупнейшие нефтяные компании Европы определили биотопливо как один из будущих приоритетов, а BP даже предполагает инвестировать около 500 млн евро в течение ближайших 10 лет в создание научно-исследовательского института, который будет заниматься разработкой био-технологий в области энергетики, и около 8 млрд евро в собственное подразделение, связанное с биотопливом, – BP Alternative Energy. На практике в настоящее время компании ограничиваются участием в капитале специализированных предприятий по производству ЭТБЭ или временными проектами.

PS. Финская компания St1 Oy объявила о покупке норвежской и шведской сетей АЗС, принадлежащих норвежскому концерну StatoilHydro. Как заявил директор-распорядитель компании St1, данная сделка поможет продвижению в этом регионе проекта по биоэтанолу. Компания ппроизводит этанол из отходов пищевой промышленности и намерена продавать его на своих станциях в Норвегии и Швеции. В самой Финляндии у St1 имеется 400 АЗС и три завода по производству топлива Refuel RE85, состоящего на 80…85 % из биоэтанола. Аналогичные заводы St1 намерена построить и в Швеции.

 

7.2.12.Прогноз развития рынка биоэтанола в Китае [7-19]

Первые партии биоэтанола в Китае были выпущены в конце 2003 г. За три года Китай сумел войти в четверку крупнейших производителей топливного этанола в мире.

В 2007 г. объем производства биоэтанола в Китае достиг максимального показателя. Совокупный среднегодовой темп роста (CAGR) объемов производства биоэтанола в Китае с 2003 г. по 2007 г. составил 124,2 %. Доля Китая в мировом объеме производства биоэтанола в 2007 г. составила 3,7 %.

В 2007 г. в Китае насчитывалось шесть производителей биоэтанола. Компания Jilin Fuel Ethanol Co. является крупнейшим производителем биоэтанола в Китае. В Китае биоэтанол производят из пшеницы, риса, маниоки и сахарного сорго.

Китай планирует приложить еще большие усилия в развитие возобновляемой энергетики и сократить эмиссию парниковых газов, чтобы поддержать жизнеспособный экономический рост в ближайшие годы.

Согласно Национальной Комиссии Развития и Реформ (НКРР), необходимо инвестировать более 2 триллионов юаней, или 10 процентов валового национального продукта, чтобы достичь поставленной цели по возобновляемой энергии к 2020 году. Среднесрочной и долгосрочной целью страны является развитие индустрии возобновляемой энергии, которая станет играть важную роль в обеспечении развития экономического будущего страны.

НКРР планирует поднять долю возобновляемой энергии в общем потреблении энергии до 10 % к 2010 году и 15 % к 2020 году, по сравнению с 8 % в настоящее время. В настоящее время, уголь составляет ежегодно 70 % общего энергопотребления Китая, оставляя большой потенциал для развития гидроэлектроэнергии, метана, гелио-, ветроэнергетики и других чистых и возобновляемых источников энергии.

Тем временем Китай продолжит развивать ликвидное биологическое топливо согласно предварительному условию по обеспечению безопасности продовольствия. Китай не будет поощрять использование зерна как сырья для биотоплива, но обратится к непродовольственным зерновым культурам, типа батата и

сорго обыкновенного, для производства ликвидного биологического топлива, включая этанол и биодизель. Большинство таких непродовольственных зерновых культур растет на солончаке и бесплодных землях, которые являются неподходящими для того, чтобы выращивать зерно.

В 2006 г. Национальная Комиссия Развития и Реформ Китая опубликовала 5-летний план, в котором была установлена цель – увеличить ежегодное производство этанола до 6 млрд. литров к 2010 г.

Правительство Китая, опасаясь увеличения цен на зерновые, не утвердило план.

Аналитики прогнозируют увеличение до 2016 г. производства этанола в Китае, в основном из кукурузы, до 3,5 млрд. литров. Это в 2,5 раз превышает показатель 2008 г. За аналогичный период потребление кукурузы этаноловой отраслью возрастет в 2,6 раза. Кроме того Китай может еще увеличить производство этанола на 1,5–2,0 млрд. литров, используя маниоку, сорго, рис и другое сырьё.

Согласно оптимистическому прогнозу, совокупный среднегодовой темп роста (CAGR) объема рынка биоэтанола в Китае с 2008 г. по 2020 г. составит 10,6 %.

Согласно пессимистическому прогнозу, совокупный среднегодовой темп роста (CAGR) объема рынка биоэтанола в Китае с 2008 г. по 2020 г. составит 8,5 %.

В обоих сценариях внутренне потребление биоэтанола будет полностью обеспечиваться собственным производством.

 

7.3. Биометанол [7-20]

 

Рис. 7-18. Объемные формулы метанола

Метанол – CH3OH, простейший одноатомный спирт, бесцветная ядовитая жидкость. Метанол – это первый представитель гомологического ряда одноатомных спиртов. С воздухом в объёмных концентрациях 6,72–36,5 % образует взрывоопасные смеси. [7-20].

Формула: CH4O Плотность:791,80 кг/м3

Температура кипения: 65 °C

Молярная масса: 32,04 г/моль

Температура плавления: -98 °C

Классификация: Спирты

Метанол является другим видом спиртового топлива, которое получается из биомассы или угля. Однако в настоящее время метанол производится преимущественно из природного газа и ограниченно используется в качестве топлива для демонстрационных и спортивных целей. Считается, что метанол не обладает всеми экологическими преимуществами, свойственными этанолу? [7-13]

Лауреат Нобелевской премии, датский профессор Ола предлагает получать метанол через газификацию отходов сельского хозяйства и получаемый синтез-газ конвертировать в биометанол.

Тезисы программы Датской ассоциации метанола по переориентации энергетической базы экономики страны на метанол как энергоноситель:

Метанол представляется как идеальный энергоноситель по совокупности свойств, начиная с легкости его производства из любого энергосырья (ископаемого, био и/или их сочетаний), легкости и безопасности хранения и транспортировки, и кончая простотой и дешевизной конвертации непосредственно в топливо;

• Важным преимуществом метанола называется его экологическая чистота во всей цепи от производства до использования;

• Отмечается, что природный газ является самым экономичным и широко применяемым сырьем для производства метанола, однако подчеркивается что технологии газификации биомасс в генераторный газ также являются в настоящее время промышленно зрелыми, а разработка технологий производства метанола из улавливаемого из труб ТЭЦ и др. предприятий CO2 и электроэнергии приближается к промышленной реализации, в частности, в Исландии;

• Упоминается, что на рынке уже предлагаются технологии производства ДМЭ как из метанола, так и непосредственно из генераторного газа, и что ДМЭ является идеальным топливом для дизельных двигателей;

• Приводятся результаты расчетов о том, что запасов биомассы в Дании теоретически достаточно для замены всего потребляемого в стране бензина и солярки метанолом и ДМЭ;

• Приводится пример Исландско-Американской компании, которая, используя дешевую исландскую геотермальную и гидроэнергию для производства метанола и ДМЭ из утилизируемой CO2, является прибыльной уже при продаже своего топлива по 50 долл./баррель;

• Приводятся данные о том, что предприятие по переработке лесных отходов в метанол в объеме 100000 т метанола в год, работающее в Швеции, начинает приносить доход при рыночной цене метанола (в солярочном эквиваленте) меньшей, чем цена солярки на шведских заправках;

• Отмечается, что переориентация энергетической базы экономики на метанол позволяет эффективно сглаживать естественные пики и падения в предложении/ спросе на энергию;

• Подчеркивается, что, несмотря на то что прямое сжигание биомассы и нейтрально в отношении СО2, это чрезвычайно вредно с точки зрения выбросов токсичных продуктов, тогда как использование биомассы как топлива через метанол практически безвредно. [7-21].

Компания ОК, являющаяся одним из ведущих топливных дистрибьюторов Дании и оператором 670 из 2000 автозаправочных станций страны, собирается построить в стране ряд станций заправки метанолом, чтобы поддержать демонстрацию метанолэлектрических автомобилей QBEAK.

Рис. 7-19. Заправка авто метанолом. Дания 2013 г.[7-21].

Датское правительство заявило, что оно хотело бы поэтапно отказаться от ископаемого топлива к 2050 году. Являясь одним из крупнейших дистрибьюторов ископаемого топлива, компания ОК намерена поддержать решение более чистой заправки, которое позволяет использовать существующую сеть станций. Распределение метанола позволяет модифицировать существующие системы заправки жидким топливом, не заменяя их полностью и не вводя каких-либо дополнений, в которых нуждается газообразный водород.

ОК рассматривает биометанол как неископаемое жидкое топливо, и компания была членом проекта метанол-электрических автомобилей EcoMotion, в результате которого был создан новый грузовик на топливных элементах для садоводства. ОК построит станцию заправки метанолом на базе традиционной станции в сотрудничестве с HAMAG, производителем станций, и Serenergy, производителем топливных элементов, устанавливаемых внутри транспортных средств Ecomove QBEAK. [7-22].

 

7.3.1. Получение метанола из водорослей

В основе этой технологии лежит производство биомассы водорослей, их сбраживание до метана и каталитическая конверсия последнего в метанол.

Основными доводами в пользу использования микроскопических водорослей являются следующие:

• высокая продуктивность фитопланктона (до 100 т/га в год);

• в производстве не используются ни плодородные почвы, ни пресная вода;

• процесс не конкурирует с сельскохозяйственным производством;

• энергоотдача процесса достигает 14 на стадии получения метана и 7 на стадии получения метанола;

С точки зрения получения энергии данная биосистема имеет существенные экономические преимущества по сравнению с другими способами преобразования солнечной энергии.

 

7.4. Биобутанол [7-23]

 

Рис. 7-20. Фигурные формулы бутанола

Бутиловый спирт (н-бутанол) C4H9OH – Бесцветная вязковатая жидкость с характерным запахом сивушного масла. Смешивается с органическими растворителями. В отличие от метанола, этанола и пропанола только умеренно растворяется в воде – 7,6 г на 100 г воды. С ней образует азеотроп содержащий 42,5 % по массе бутанола и кипящий при 97,7 °C.

Представитель одноатомных спиртов. Известны нормальный первичный бутиловый спирт СН3(СН2)3ОН и его изомеры: нормальный вторичный бутиловый спирт СН3СН2СН(ОН)СН3, изобутиловый спирт (СН3)2СНСН2ОН, третбутиловый спирт (триметилкарбинол) (СН3)3СОН. Ядовит. [7-23].

Бутанол биологического происхождения является первичным спиртом. Основные преимущества бутанола по сравнению с этанолом:

• бутанол содержит на 25 % больше энергии, чем этанол;

• бутанол безопаснее в использовании, поскольку в шесть раз меньше испаряется, чем этанол, и в 13,5 раз менее летуч, чем бензин;

• бутанол – гораздо менее агрессивное вещество, чем этанол, поэтому может транспортироваться по существующим топливным трубопроводам, тогда как этанол должен транспортироваться железнодорожным или водным транспортом;

• благодаря низкому давлению паров, биобутанол легко смешивается с обычным бензином;

• биобутанол может добавляться в более высоких концентрациях, чем биоэтанол, при использовании в стандартных автомобильных двигателях без их переделки.

В настоящее время биобутанол может добавляться в бензин в концентрации до 10 % в Европе и до 11,5 % в США без переделки двигателя.

Он хорошо подходит для современных транспортных средств и двигателей.

В смеси биобутанол может использоваться в более высоких концентрациях, чем этанол, не требуя при этом специально адаптированных транспортных средств. В будущем имеется потенциал для увеличения максимально допустимого использования биобутанола в бензине до 16 % по объему.

В присутствии воды смесь, содержащая биобутанол, не расслаивается, в отличие от смеси «этанол-бензин», что позволяет использовать существующую инфраструктуру дистрибуции без модификации установок для смешивания, хранилищ или заправок.

Как ожидается, в отличие от существующих биотоплив, биобутанол потенциально может быть транспортирован по трубопроводам, то есть он может быстро добавлен к бензину, и это позволит избежать потребности в дополнительной крупномасштабной инфраструктуре поставки.

Бутанол выделяет чистой энергии на рабочий цикл больше, чем этанол или метанол, и примерно на 10 % больше, чем бензин.

В связи с получением новых высокоэкономичных технологий производства биобутанола, в настоящее время получаемый из зерна бутанол привлекает все большее внимание специалистов для применения его в качестве топлива. И не исключено, что в ближайшие 10–15 лет этанол утратит пальму первенства.

Успех обусловливается рядом преимуществ бутанола перед этанолом, среди них: 1. Бутанол содержит на 25 % больше энергии, чем этанол: 6116.5 kkal/l бутанола против 4670.8 kkal/l этанола. Бензин же содержит около 6394.5 kkal/l; 2. Бутанол безопаснее в использовании, поскольку в шесть раз меньше испаряется, чем этанол и в 13,5 раз менее летуч, чем бензин. Упругость паров бутанола по Рейду составляет 0.023g/cm2, у бензина это 0.316 g/cm2, у этанола – 0.14g/cm2. Это делает бутанол более безопасным при использовании в качестве оксигената и не требует особых изменений пропорций смеси при использовании зимой и летом. Сейчас он используется в качестве оксигената в штатах Аризона, Калифорния и др.; 3. Бутанол – гораздо менее агрессивное вещество, чем этанол, поэтому может транспортироваться по существующим топливным трубопроводам, тогда как этанол должен транспортироваться железнодорожным или водным транспортом; 4. Бутанол можно смешивать с бензином; 5. Бутанол может полностью заменять бензин, тогда как этанол может использоваться только как добавка к бензину с максимальным содержанием в смеси не более 85 % и только после существенных переделок двигателя. В настоящее время в мире преобладают смеси с 10 %-ным содержанием этанола; 6. Производство бутанола помогает решить проблемы, связанные с инфраструктурой снабжения водородом; 7. Измененный бутанол имеет более высокий выход энергии (10 Вт-ч/г), чем этанол (8 Вт-ч/г); 8. При горении бутанол не производит окислов серы или азота, что дает существенную дополнительную выгоду с точки зрения экологии.

Рис. 7-21. Общий вид ацетоно-бутилового завода (г. Нальчик)[7 24].

Бутанол начал производиться в 10-х годах XX века с использованием бактерии Clostridia acetobutylicum. Сырьём для производства являются сахаро– и крахмалосодержащие продукты растениеводства: сахарный тростник, свекла, кукуруза, пшеница, маниока, а в будущем и целлюлоза.

При ацетонобутиловом брожении из 1 т картофеля можно получить 25 м3 водорода, 340 кг бутанола и 110 кг ацетона, то есть с 1 га картофельных плантаций – 875 м3 водорода, 12 т бутанола и 4 т ацетона, а из 1 т стеблей сорго – 30 м3 водорода, 114 кг бутанола и 40 кг ацетона, или с 1 га плантаций сахарного сорго – 900 м3 водорода, 3.4 т бутанола и 1.2 т ацетона.[25]. В СССР до конца 70-х годов XX столетия в эксплуатации находилось 4 ацетонобутиловых завода: в городах Грозном, Нальчике, Талица (Свердловской области) и Ефремов (Тульской области). К концу 90-х годов остались Грозненский и Ефремовский заводы.

Ефремовский завод производил до 50 т растворителей (бутанол/ацетон/ этанол = 13/4/1) и до 29 тыс. м3 водорода в сутки, или 15 тыс. т растворителей и до 8.7 млн. м3 водорода в год, а Грозненский завод – 74 т растворителей и 43 тыс. м3 водорода в сутки, или до 22 тыс. т растворителей и 12.9 млн. м3 водорода в год [7-25]

Однако, сегодняшняя ситуация на рынке углеводородного сырья заставляет многие компании задуматься о восстановлении утраченных технологий.

В 50-х годах из-за падения цен на нефть бутанол начал производиться из нефтепродуктов.

В США ежегодно производится около 1.39 млрд. литров бутанола.

Две крупнейшие транснациональные корпорации мира – DuPont и British Petrole-um (BP) – объявили об успехе своего трехлетнего сотрудничества над проектом создания нового вида биотоплива – биобутанола. Осуществление проекта началось в 2003 году. В результате в конце 2007 года биобутанол начал производиться и продаваться в Великобритании. Производство в Британии будет налажено совместно с British Sugar. Для этого будет перепрофилирована фабрика по ферментации биопродуктов в этанол для производства биобутанола. Биобутанол по своей сути то же самое, что и биоэтанол, но только более калорийный и менее затратный при производстве. К тому же само производство биобутанола с технической точки зрения значительно проще, чем классического этанола. [7-26].

 

7.4.1. Экологические Преимущества

В настоящее время компании DuPont и BP проводят детальные расчеты для биобутанола по эмиссионным характеристикам в рамках программ GHG Well-to-Wheel/ Life Cycle Analysis. Предварительные данные говорят о том, что при использовании одинакового сырья биобутанол дает уменьшение эмиссии, по меньшей мере, на том же уровне, что и этанол.

Низкое давление паров биобутанола (ниже, чем у бензина) означает то, что характеристики давления паров не должны приводить к появлению высоких уровней эмиссии ЛОС (т. е. нет необходимости ослаблять давление паров).

Преимущества для сельского хозяйства:

• Биобутанол получают из тех же типов сельскохозяйственного сырья, что и биоэтанол (т. е. из кукурузы, пшеницы и сахарной свеклы/тростника).

• Биобутанол может стать хорошим продуктом для фермеров во всем мире, поскольку он создает новые возможности на рынке для основных продуктов сельского хозяйства, что, таким образом может привести к увеличению нормы прибыли для фермеров.

• Облегчая добавление биотоплив к бензину, либо непосредственно в качестве биобутанола, либо косвенно через синергию биобутанола и этанола, использование биобутанола может привести к расширению рынка биотоплив, а также рынков соответствующих сельскохозяйственных продуктов, что таким образом приведет к увеличению нормы прибыли для фермеров.

Биобутанол также улучшает показатели этаноловых смесей за счет того, что он имеет низкое давление насыщенного пара, что снимает одну из проблем, сдерживающую широкое применение этанола в рамках существующих каналов дистрибуции бензина.

Первоначально производство биобутанола будет базироваться на существующей технологии, что позволит вывести его на рынок в кратчайшие сроки. На втором этапе, будет задействован биотехнологический процесс, разработка которого уже идет, обеспечивающий более высокую степень переработки. Производство сможет работать на широком спектре сырья, таком, как сахарный тростник или сахарная свекла, кукуруза, пшеница, маниока и, в будущем – на целлюлозном сырье из быстрорастущих «энергетических культур», таких как травы, или побочных агропродуктов, таких как солома или кукурузные стебли. Биобутанол обеспечит значительные экологические преимущества по сравнению с топливом на нефтяной основе, включая более низкий уровень выбросов парниковых газов в окружающую среду. [7-27].

Сегодня бутанол используется, прежде всего, в качестве промышленного растворителя. Мировой рынок этого продукта оценивается в 350 млн. галлонов в год, из которых 220 млн. галлонов в год приходится на долю США.

Бутанол в качестве моторного топлива.

Биобутанол более экономичен, чем смесь этанола с бензином, он улучшает топливную эффективность автомобиля и увеличивает пробег на единицу расходуемого топлива.

В начале 21 века профессор Университета штата Иллинойс Hans Blaschek получил новый штамм бактерии Clostridium. В 2004 году Clostridium beijerinkii был выбран Министерством энергетики США для генного картирования. Работа проводилась в Объединенном институте геномов в Калифорнии.

В 2006 г., используя запатентованный им генетически измененный микроорганизм Clostridium beijerinkii, профессор Hans Blaschek успешно преобразовал кукурузу в бутанол. Для инициации процесса ферментации профессор использовал полученную им карту генома микроорганизма. В дальнейшем, используя результаты анализа генома, он планирует вывести второе, еще более эффективное поколение микроорганизма Clostridium beijerinkii.

Кроме того, профессор Hans Blaschek разработал основы технологии получения бутанола путем извлечения из газа. При этом бутанол будет недорогим и без загрязнений, возможных при использовании технологий, основанных на применении мембран.

В планах ученого – масштабировать ферментационный процесс получения бутанола с помощью существующего штамма Clostridium beijerinkii, подобрать эффективное зерновое сырье и тип зерновых волокон для производства бутанола, а также создать второе поколение микроорганизмов.

Чуть позже, объединив в процессе два очередных, новых штамма бактерий и предъявив ряд инженерных решений, компания Environmental Energy заявила о создании полноценной технологии получения биобутанола. Компании был выдан патент США № 5 753 474 «Непрерывный двухступенчатый анаэробный ферментационный процесс получения бутанола и других органических растворителей с использованием двух различных штаммов бактерий. Патент описывает технологию, которая позволяет надеяться на получение эффективного и экономически рентабельного бутанола. Использование компанией сдвоенных биореакторов с иммобилизованными клетками непрерывного действия увеличивает выход бутанола до 13.38 л на 18 кг зерна плюс дополнительных 0.27 кг водорода в качестве побочного продукта.

Оптимизация процесса АБЭ ферментации и получение бутанола посредством масляной кислоты, преобразованной из углеводов, позволило существенно увеличить выход, объемную производительность и концентрацию бутанола. Использование компанией Environmental Energy иммобилизированных культур Clostridium tyrobutyricum и Clostridium acetobutylicum позволяет получить оптимальную производительность бутанола 4,64 г/л/ч и выход 42 % от веса глюкозы, или 13.38 л на 18 кг зерна (15.9 кг крахмала/ лактозы/ сахара) против 5.9 л по сравнению с обычным АБЭ процессом.

Кроме того, новая технология связана с производством побочного водорода, который также является альтернативным топливом. Принимая во внимание попутное производство водорода, новая технология позволяет получить из 18 кг зерна на 42 % больше энергии, чем производится в ходе обычного получения этанола – 25 % этой разницы дает бутанол и 18 % – водород. Важно понимать, что даже в отсутствие технической базы для применения водорода в качестве альтернативного источника энергии – он является ценным химическим продуктом, востребованным во многих подотраслях химической промышленности.

Environmental Energy намерена наладить производство биобутанола для рынка растворителей, а в дальнейшем продавать его как альтернативное топливо.

Таблица. 7-1

Энергетические характеристики бензина и первичных спиртов

 

7.4.2.Энергетическое содержимое биобутанола и эффект экономии топлива

Бутанол выделяет при сгорании 36 MJ/кг (15,500 BTU/lb). Это может быть выражено объемным способом как 29,2 MJ/литр (104,800 BTU/амер. галлон).

Переключив бензиновый двигатель на бутанол, как результат, можно получить увеличение потребления топлива около 10 %, но бутанольный эффект для пройденного автомобилем расстояния должен быть дополнительно определен научным анализом. Энергетическая плотность для любой смеси бензина и бутанола может быть вычислена, тестирование других спиртовых топлив продемонстрировало, что эффект в экономии топлива не пропорционален изменению энергетической плотности.[28].[

 

7.4.3.Октановое число бутанола

Октановое число бутанола подобно тому же числу для бензина, но ниже, чем для этанола и метанола. Бутанол имеет RON (Octane number by the Research method или Исследовательское Октановое Число – ИОЧ и) 96 и MON – motor octane number-или МОЧ – моторное октановое число) 78, тогда как трет-бутанол имеет октановое число 105 RON и 89 MON. [7] Трет-бутанол используется как добавка в бензин, но не может быть использован как топливо в чистом виде, поскольку его точка плавления – 25,5 °C. Другими словами, когда холодно, трет-бутанол превращается в гель. [8]Топливо с более высоким октановым числом менее склонно к детонации (чрезвычайно быстрому самовозгоранию от сжатием) и управляющая система любого современного двигателя может иметь преимущество, если перед этим отрегулировать синхронизацию зажигания. Это улучшит энергетическую эффективность, ведущую к лучшей экономии топлива. Увеличивая коэффициент сжатия, увеличивается экономия топлива, мощность и вращающий момент. И наоборот, топливо с более низким октановым числом более склонное к детонации и уменьшит эффективность, поскольку детонация может нанести ущерб мотору.

 

7.4.4. Воздушно-топливный коэффициент бутанола

Спиртовое топливо, включая бутанол и этанол, частично окислено и следовательно нужно работать с более богатыми смесями, чем бензин. Стандартные бензиновые двигатели в автомобилях могут регулировать воздушно-топливный коэффициент, соответственно изменяя топливо, но только в определенных пределах в зависимости от модели. Если предел двигателя превышен, то работая на чистом бутаноле или бензиновой смеси с высоким процентом бутанола, двигатель работает на бедной смеси, что может повредить его. По сравнению с этанолом, бутанол может быть смешан с бензином с более высоким коэффициентом для использования в существующих автомобилях без необходимости в переделке, поскольку воздушно-топливный коэффициент и энергетическое содержимое – ближе к тому же самому бензину. [7-28]

 

7.4.5. Специфическая энергия

Спиртовое топливо имеет меньше энергии на единицу веса и объема, чем бензин, но в то же самое время требует более богатой смеси. Чтобы сравнить чистую энергию произведенную за цикл иногда используется мера названная специфической энергией топлива. Она определена как произведенная энергия на воздушно-топливный коэффициент. Чистая энергия произведенная за цикл более высокая для бутанола, чем этанола или метанола и приблизительно на 10 % выше, чем для бензина.

Таблица 7-2

Вязкость бензина, дизельного топлива и первичных спиртов

Название Кинематическая вязкость при 20 °C

Бутанол 3.64 cSt

Этанол 1.52 «

Метанол 0.64 «

Бензин 0.4–0.8 «

Дизель >3 «

Вода 1.0 «

Вязкость спиртов увеличивается с увеличением длины углеродной цепи. По этой причине, бутанол используют как альтернативу для коротких спиртов, – когда желателен более вязкий растворитель. Кинематическая вязкость бутанола в несколько раз выше, чем у бензин и почти такая же, как у высококачественного дизельного топлива.[7-28]

Тепло парообразования бутанола.

Топливо в двигателе должно быть испарено прежде, чем сгорит. Недостаточное парообразование является известной проблемой со спиртовым топливом при холодной погоде. Так как латентное тепло парообразования бутанола – меньше, чем половина того же самого для этанола, то двигатель, работающий на бутаноле, должен легче запуститься при холодной погоде, чем, работая на этаноле или метаноле.[7-28]

 

7.4.6. Потенциальные проблемы с использованием бутанольного топлива

Потенциальные проблемы с использованием бутанола подобны этанолу:

• Для того, чтобы соответствовать характеристикам горения бензина, использование бутанольного топлива как заменителя бензина требует увеличения топливо-потока.

• Топлива на основе спирта – не совместимы с некоторыми компонентами топливных систем.

• Спиртовое топливо может вызвать ошибочное газовое считывание измерителя в машины с уровнем топлива емкости gauging.

• Вязкость бутанола значительно выше, чем у бензина или этанола, что может иметь отрицательные эффекты в топливной системе.

 

7.4.7.Возможные бутанольные смеси топлива

Стандарты для стыковки этанола и метанола в бензине существуют во многих странах, включая EU, США и Бразилию. Приблизительные эквиваленты бутанольной смеси могут быть вычислены из отношений между стохометрическим топливом-воздушным коэффициентом бутанола, этанола и бензина. Смеси этанольного топлива с бензином к настоящему времени продаются с дипазоном от 5 % до 20 %. Доля бутанола может быть больше на 60 %, чем эквивалентное содержание этанола, которое имеет дипазон от 8 % до 32 %. «Эквивалент» в этом случае отмечает только способность машин к регулировке топлива. Другие свойства бутанола, как например, энергетическая плотность, вязкость и теплота парообразования может изменить предельный процент бутанола в топливной смеси с бензином.

В присутствии воды смесь, содержащая биобутанол, в меньшей степени склонна к расслоению, чем смеси этанола/бензина, и потому это позволяет использовать существующую инфраструктуру дистрибуции, не требуя модификаций установок для смешивания, хранилищ или заправок.

Как ожидается, в отличие от существующих биотоплив, биобутанол потенциально может быть транспортирован по трубопроводам; т. е. он может быть быстро добавлен к бензину, и это позволит избежать потребности в дополнительной крупномасштабной инфраструктуре поставки.

Биобутанол также улучшает показатели этаноловых смесей за счет того, что помимо прочего, он имеет низкое давление насыщенного пара, что снимает одну из проблем, сдерживающую широкое применение этанола в рамках существующих каналов дистрибуции бензина. [27].

 

7.5. Диметиловый эфир [7-29]

 

Диметиловый эфир (C2H6O) (метиловый эфир, метоксиметан, древесный эфир) Н3С-О-СН3 – широко применяемый на практике простой эфир.

Бесцветный газ с характерным запахом, химически инертный

Температура плавления – (-138,5)°C

Температура кипения – (-24,9)°C

Плотность при нормальных условиях – 2,1098 кг/м3 (в 1,63 раза тяжелее воздуха)

Плотность в жидкой фазе – 0,668 г/см3

Критическая температура – +127,0 °C

Критическое давление – 53 атм

Критическая плотность – 0,272 г/см3

Растворимость в воде – 3700 мл/100 мл при 18 °C

Растворим в метиловом и этиловом спирте, толуоле

Диметиловый эфир (ДМЭ) – C2H6O.

Рис. 7-22. Объемная формула ДМЭ.

Может производиться из угля, природного газа, из биомассы. Большое количество диметилового эфира производится из отходов целлюлозобумажного производства. Сжижается при небольшом давлении.

Диметиловый эфир – экологически чистое топливо без содержания серы, содержание оксидов азота в выхлопных газах на 90 % меньше, чем у бензина. Применение диметилового эфира не требует специальных фильтров, но необходима переделка систем питания (установка газобалонного оборудования, корректировка смесеобразования) и зажигания двигателя. Без переделки возможно применение на автомобилях с LPG-двигателями при 30 % содержании в топливе.

В июле 2006 года Национальная Комиссия Развития и Реформ (NDRC) (Китай) приняла стандарт использования диметилового эфира в качестве топлива. Китайское правительство будет поддерживать развитие диметилового эфира, как возможную альтернативу дизельному топливу.

В ближайшие 5 лет Китай планирует производить 5-10 млн тонн диметилового эфира в год.

Департамент транспорта и связи Москвы подготовил проект постановления городского правительства «О расширении применения диметилового эфира и других альтернативных видов моторного топлива».

Автомобили с двигателями, работающими на диметиловом эфире разрабатывают KAMAZ, Volvo, Nissan и китайская компания SAIC Motor.

Существует несколько способов получения диметилового эфира. Первый – при давлении 1 – 3 МПа и температуре 800 – 900 °C из синтез-газа получают диметиловый эфир, метанол и метилформиат. Второй способ – получение диметилового эфира из метанола. Именно так поступают в Германии и Японии. В Японии и США построены пилотные установки – мощностью 5 и 4 тонны в сутки. Из синтез-газа ДМЭ получают NKK (Япония) и Haldor Topsoe (Дания). На «Новомосковском Азоте» и ОАО «Щекиноазот» диметиловый эфир производят из метанола, но такой метод с технико-экономической точки зрения не совсем целесообразен, так как цены на природный газ будут неизбежно повышаться.

Диметиловый эфир имеет определенные технологические преимущества перед сжиженным природным газом. По своим физическим свойствам это вещество очень схоже с СУГ (сжиженный углеродный газ) и может являться его заменителем в качестве моторного топлива, топлива для газовых турбин, в коммунальном хозяйстве и быту (приготовление пищи). В сравнении с СПГ он имеет существенно более высокую температуру сжижения (– 24,5 °C), что позволяет хранить ДМЭ в тех же резервуарах, что и СУГ. При его правильном сгорании не образуется сажа, а только вода и углекислый газ. Теплотворная способность ДМЭ (28,4 МДж/кг) только немного ниже низшей удельной теплоты сгорания природного газа. Кроме того, ДМЭ используется для производства аэрозольных красок и в парфюмерной промышленности, т. к. является отличным растворителем и пропеллентом одновременно, и при этом практически полностью разлагается при попадании в атмосферу (не является парниковым газом, в отличие от метана).

Особенность производства ДМЭ и других синтетических жидких углеводородов (СЖУ) (метанол, продукты синтеза Фишера-Тропша и т. д.) на данный момент – это необходимость утилизировать значительные объемы так называемых хвостовых газов, получаемых в процессе синтеза, и перегретого пара высокого давления. Их утилизация возможна в энергоемком процессе производства СПГ, поэтому производство ДМЭ должно хорошо уживаться с производством сжиженного природного газа и/или производством электроэнергии.

Стоит отметить, что что технологические схемы производства СЖУ, основанные на производстве синтезгаза (смесь угарного газа и водорода), в паровых риформерах и последующей конверсии его в жидкие углеводороды позволяют утилизировать углекислый газ из отходных газов турбин газовых компрессоров производства СПГ. Для этого часть пара, подаваемого в риформер, заменяется на CO2 (СН4 + СО2 → 2СО+2Н2). Добавление углекислого газа в процесс риформинга позволяет достичь оптимального соотношения CO/H2 в производимом синтез-газе, близкого к 2, что увеличивает выход СЖУ при последующем синтезе.

 

7.5.1.Организация концерна «Volvo Group» [7-30]

Взгляд концерна «Volvo Group» на будущее топливо:

• Природный газ и биогаз будет использоваться регионально;

• ДМЭ имеет перспективу на широкое использование в будущем: Максимальная эффективность переработки и использования энергии «от скважины до колёс» из биологического источника.

• CO2 является нейтральным, когда ДМЭ производится из биомассы.

ДМЭ в настоящее время промышленно производится дегидратацией метанола в объеме около 150 тыс. тонн в год, и используется главным образом в качестве пропеллента в косметической промышленности. В небольших количествах уже сегодня ДМЭ применяется как дизельное топливо и как топливо для бытовых нужд (вместо СНГ).

[31].

Диметиловый эфир имеет хороший потенциал использоваться в будущем как топливо для электростанций (производства электроэнергии), для автомобиля на топливной ячейке и как промежуточный продукт для синтеза ценных химических веществ и в том числе бензина. ДМЭ можно получать из «бедного» синтез-газа, содержащего до 50 % азота. Такой синтез ДМЭ осуществлен на медьцинк-хромалюминиевом и медьцинкалюминиевом катализаторах при 260–280 °C и 5-10 МПа.

Volvo Trucks активно использует биодиметилэфир!

Рис. 7-23. Трелер Voivo Truck на ДМЭ.[7-32]

Volvo Trucks активно начала использовать биодиметилэфир (ДМЭ) как моторное топливо. Компания Preem, деятельность которой связано с поставками топлива, 7 сентября 2010 г. открыла новую автозаправочную станцию ДМЭ в Стокгольме.

На сегодняшний день первые пять грузовиков с ДМЭ-двигателями компании Volvo уже готовы к эксплуатации на дорогах Швеции. Биодиметил-эфир это разновидность биотоплива, которое производит на 95 % меньше вредных выбросов диоксида углерода по сравнению с привычным дизельным топливом. Для того чтобы у нового топлива были шансы стать конкурентоспособным на рынке, необходимо его отлаженное производство, сеть распределения и адаптация транспортных средств.

Экспериментальный завод компании Chemrec в Питео может производить не более четырех тонн био-ДМЭ в день. Эксплуатационные испытания будут проводиться в течение нескольких лет, цель которых – показать возможности для крупномасштабных инвестиций в производство ДМЭ из биомассы и выявить недостатки нового топлива.

Производство био-ДМЭ будет размещено на заводе компании Chemrec. Volvo Group является одним из владельцев компании Chemrec через свое дочернее предприятие Volvo Technology Transfer. Уже осенью компания Preem открывает дополнительные заправочные станции в Йончопинге, Питео, и Гётеборге.

 

7.5.2.Важное преимущество ДМЭ

Важное преимущество ДМЭ – это возможность поставлять его в контейнерах, баллонах и цистернах прямо от производителя или с приемного терминала конечным потребителям на заправки и в личные (домашние) коммунальные хозяйства. При этом снижаются затраты на распределение. Возможна транспортировка ДМЭ в контейнерах и лихтерах (судами-контейнеровозами/ лихтеровозами) непосредственно с места отгрузки. При этом контейнеры/лихтеры могут загружаться на судно как уже в заполненном виде (заправленными), так и заполняться непосредственно на судне через специальный распределительный манифольд. Таким образом, ДМЭ – это не только новая транспортная технология, но и готовый продукт для потребителей (бутилированный ДМЭ). ДМЭ имеет высокое цетановое число, что позволяет использовать его в качестве эффективного дизельного топлива.

Возможности химического синтеза альтернативных топлив в настоящее время активно ведутся во многих мировых центрах (США, Японии, Дании, Австрии) а также и в России. Некоторые такие разработки производства синтетических топлив уже находятся в стадии реализации.

Учитывая свойства ДМЭ, современная наука считает его мостом к водородной энергетике третьего тысячелетия.

 

7.6. Биодизель [7-33]

 

Биодизель – биотопливо на основе растительных или животных жиров (масел), а также продуктов их этерификации.

 

7.6.1.Технология производства

Рис. 7-24. Образец биодизеля [7-33].

Растительное масло переэтерифицируется метанолом, реже этанолом или изопропиловым спиртом (приблизительно в пропорции на 1 т масла 200 кг метанола + гидроксид калия или натрия) при температуре 60 °C и нормальном давлении.

Для получения качественного продукта необходимо выдержать ряд требований:

После прохождения реакции переэтерификации содержание метиловых эфиров должно быть выше 96 %.

Для быстрой и полной переэтерификации метанол берется с избытком, поэтому метиловые эфиры необходимо очистить от него.

Использовать метиловые эфиры в качестве топлива для дизельной техники без предварительной очистки от продуктов омыления недопустимо. Мыло засорит фильтр и образует нагар, смолы в камере сгорания. При этом сепарации и центрифугирования недостаточно. Для очистки необходима вода или сорбент.

Заключительный этап – сушка метиловых эфиров жирных кислот. Так как вода приводит к развитию микроорганизмов в биодизеле и способствует образованию свободных жирных кислот, вызывающих коррозию металлических деталей.

Хранить биодизель более 3 месяцев не рекомендуется – разлагается.

Применение.

Применяется на автотранспорте в чистом виде и в виде различных смесей с диельным топливом. В США смесь дизельного топлива с биодизелем обозначатся буквой B; цифра при букве означает процентное содержание биодизеля. В2 – 2 % биодизеля, 98 % дизельного топлива. В100 – 100 % биодизеля.

Применение смесей не требует внесения изменений в двигатель.

Цетановое число.

Для минерального дизтоплива 42–45,

Для биодизеля (метиловый эфир) не менее 51.

 

7.6.2. Сырьё для производства

Сырьём для производства биодизеля служат жирные, реже – эфирные масла различных растений или водорослей. Европа – рапс; США – соя; Канада – канола (разновидность рапса); Индонезия, Филиппины – пальмовое масло; Филиппины – кокосовое масло; Индия – ятрофа, (Jatropha); Африка – соя, ятрофа; Бразилия – касторовое масло.

Рис. 7-25. Блок-схема производства биодизеля [7-34].

Также применяется отработанное растительное масло, животные жиры, рыбий жир и т. д.

Таблица. 7-3

Производство масла из различного сырья с одного гектара земли в год

Таблица. 7-4

Производство биодизеля

Биодизель – топливо будущего.

В зависимости от сырья используется определенная технология производства биодизеля.[7-36].

Возможно применение для производства биодизеля следующих видов сырья: растительное масло (рапсовое, подсолнечное, пальмовое, соевое и пр.); животный жир; водоросли; резина и пластмасса. Получается биодизель, как правило, из растительного масла или водорослей и, поэтому, является долгоживущим источником энергии. Биодизель из рапса (биотопливо из рапса) – достаточно широко используется в настоящее время в Европе.

Рис. 7-25. Производство биодизеля на Заводе Урбудмаш. Биодизельный реактор кавитатор. [7-35].

 

7.6.3. Биодизель из водорослей [7-37]

Более перспективным источником сырья считаются водоросли.

Представитель компании, производящей биогорючее, подсчитал, что если заменить все дизельное топливо, используемое в США, на биотопливо из водорослей, то потребуется засеять зеленым сырьем всего 0,5 % сельскохозяйственных земель штатов, чтобы получить нужное количество биодизеля. Для производства биодизеля нужны водоросли, содержащие большое количество масла. Эти водоросли можно выращивать как в обычных водоемах (в обычных прудах), так и в специальных биореакторах. Биореакторы занимают маленькую площадь и из них удобнее выбирать водоросли для получения биодизеля.

Помимо этого, от всех других разновидностей растительного сырья водоросли отличаются тем, что потребляют они не специально приготовленные удобрения, а CO2. При этом водоросли настолько «любят» углекислоту, что набирают свой вес в несколько раз быстрее, именно, на этом питании. Если к тому же тину выдерживать в загрязненной воде, ее объем ежедневно будет возрастать вдвое.

Один из вариантов получения дизельного горючего из водорослей задуман в США. Для производства биодизеля водоросли поглощают углекислый газ и солнечный свет. Установка SolarConverter внешне напоминает солнечную батарею; между пластинами заключен водный раствор, в котором распологаются водоросли. Система не требует сельскохозяйственных угодий и больших посевных площадей. Первый завод по производству биодизельного горючего из водорослей планируют запустить в 2011 году.

Второй вариант предполагает установку, состоящую из большого числа прозрачных стеклянных труб. В них и живут простейшие водные растения. Для быстрого роста необходим свет, углекислый газ, корм и поддержание определённой температуры. Корм включает в себя особый состав химических составляющих и микроэлементов. Для того чтобы снабдить водоросли теплом и углекислым газом, применяется дизельгенератор, работающий на том же биодизеле. Урожай с биореактора собирается через несколько часов, ведь микроорганизмы – самые быстроразмножающиеся растения. При хорошем уходе их масса увеличивается вдвое всего за 40 часов. Из каждой порции продукта, добывается растительный жир, из которого и производится биодизель.

Водоросли применяются специальные – масленичные, с содержанием жира до 80 процентов.

Биодизель может применяться в простых двигателях внутреннего сгорания без изменения их конструкции. Возможно использование биодизеля как самостоятельного вида горючего, так и в смеси с обычным (минеральным) дизельным топливом.

Есть данные, что немецкие и французские компании, выпускающие автомобили, уже выпускают ряд моделей машин, специально приспособленных под смесь биодизеля и традиционного горючего или для использования чистого биодизеля, возможно концерн Audi решится использовать эту технологию в своей новой разработке гибридной Audi А8.[7-38].

В планах Евросоюза довести получение альтернативного горючего к 2015 – до 15 процентов.

VertiGro (Vertical Growth) – экспериментальная установка по производству из водорослей растительного масла, которое затем может стать сырьем для биотоплива, – вышла на этап производства и коммерческого тестирования.

Рис. 7-26. VertiGro (Vertical Growth) – экспериментальная установка по производству из водорослей растительного масла [7-39].

Благодаря тому, что водные растения не нуждаются в прочном стебле и корнях и могут впитывать питательные вещества всей своей поверхностью водоросли способны намного быстрее наращивать биомассу, чем любые сухопутные растения. Как рассказал директор компании Valcent Products Глен Керц, используемый компанией вид одноклеточных водорослей является самым быстрорастущим растением на планете и отличается чрезвычайно высоким массовым содержанием растительного масла – до 50 %. [7– 39].

Компания спроектировала и построила в г. Эль-Пасо, штат Техас, биореактор вертикальной конструкции, которая позволяет осветить максимальный объем водорослей. Дело в том, что в обычном водоеме поверхностные водоросли закрывают лучи солнца находящимся в глубине, в результате свет проникает в толщу растительной массы лишь на 4 см. В процессе разработки биореактора компания также столкнулась с проблемами испарения воды и появления водорослей-сорняков. «На одном акре земельных угодий можно вырастить кукурузу, которой хватит на производство около 18 галлонов горючего в год», – говорит Глен Керц. – «Акр пальмовой плантации даст пальмовое масло для производства 700–800 галлонов биотоплива в год, а ферма на основе биореакторов VertiGro за год произведет липидное сырье для изготовления до 20 тыс. галлонов топлива». Более того, свойства жиров можно варьировать изменением состава культуральной среды в зависимости от того, какой вид горючего планируется производить.

В 2004 году около 80 % европейского биодизеля было произведено из рапсового масла, при этом примерно треть урожая рапса в 2004 года было использовано именно для производства биотоплива.

В странах Евросоюза биодизель начал производиться в 1992 году. К концу первой половины 2008 года в странах Евросоюза было построено 214 заводов по производству биодизеля суммарной мощностью 16 млн тонн биодизеля в год[7-31].

В США на октябрь 2004 года установленные мощности составляли примерно 567 млн. литров в год (150 млн. галлонов). В середине 2008 года в США работали 149 заводов суммарной мощностью примерно 7,669 млрд. литров в год (2029 млн. галлонов). Строилось 10 заводов суммарной мощностью примерно 808,9 млн литров в год (214 млн галлонов).

В Канаде в конце 2006 года работали 4 завода суммарной мощностью примерно 196,5 млн. литров год (52 млн. галлонов).

Стандарты.

Для биодизеля Европейской организацией стандартов разработан стандарт EN14214. Кроме него существуют стандарты EN590 (или

EN590:2000) и DIN 51606. Первый описывает физические свойства всех видов дизельного топлива, реализуемого в ЕС, Исландии, Норвегии и Швейцарии. Этот стандарт допускает содержание 5 % биодизеля в минеральном дизеле; в некоторых странах (например, во Франции) все дизтопливо содержит 5 % биодизеля. DIN 51606 – германский стандарт, разработанный с учетом совместимости с двигателями почти всех ведущих автопроизводителей, поэтому он является самым строгим. Большинство видов биодизеля, производимых для коммерческих целей на Западе, соответствует ему или даже превосходит.

 

7.6.4.Экологические аспекты применения и производства. Применение

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.

 

7.6.5.Производство

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

 

7.6.6.Ультразвуковая переэтерификация масел в биодизель [7-40]

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.

 

7.7. Синтетический бензин

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.

 

7.8. Керосин. Создание реактивного топлива из биомассы [7-42]

 

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.

 

7.8.1. Свойства и состав

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.

 

7.8.2. Авиакеросин

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.

 

7.8.3. Ракетное топливо

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.

 

7.9. Бензин [7-43]

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.

 

7.10. Авиационное биотопливо

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].

 

7.11. Летаем на биотопливе [7-44]

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].

 

7.12. Первый полет на биотопливе в латинской америке [45]

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.

 

7.13. Флора, продуцирующая природные углеводороды – сырье для производства моторного топлива

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.

 

7.13. Биотопливо в авиации: демонстрация озабоченности [7-54]

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.

 

Литература

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.

 

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].

 

8.1. Золотая" солярка из водорослей [8–4]

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.

 

8.2. Биотопливо и биомассы

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].

 

8.3. Альтернативная энергетика – биотопливо

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].

 

8.4. Эйхорния

 

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].

 

8.4.1. Получение биогаза и электроэнергии

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.

 

8.4.2. Получение искусственной нефти из Эйхорнии

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]

 

8.5. Биотопливо из водорослей – решение найдено

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.)

 

8.6. Качественный газ из Днепра – для нас!

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].

 

8.7. Водоросль и решение глобальных проблем

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.

 

8.8. Производство биодизеля из водорослей

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.

 

Литература

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.

 

9.1. Оборудование для производства топливных брикетов

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

 

9.2. Древесносжигающие котлы (пеллеты, щепа, брикеты, дрова)

 

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].

 

9.2.1. Малые котлы

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 %.

 

9.2.2. Автоматические котлы

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.

 

9.2.3. Использование древесных гранул и щепы в котлах с автоматической подачей топлива

Автоматические котлы подключаются к системе теплоснабжения так же, как мазутные или газовые. Тепло от сгорания топлива передается теплоносителю – воде, которая после нагрева поступает в радиаторы, расположенные в помещениях дома. Таким образом, котел отапливает все помещения в здании, в отличие от печи, которая обогревает лишь комнату, в которой находится. Гранулы и щепа имеют идеальный размер для использования в автоматических котлах, поскольку они подаются в котел непосредственно из бункера. Бункер необходимо заполнять один-два раза в неделю. В котлах с ручной подачей топлива, использующих, например, дрова, последние необходимо загружать несколько раз в день. Однако такие котлы обычно дешевле автоматических.[9–3].

 

9.2.4. Котлы с ручным управлением

Существует правило, что ручные котлы, работающие на дровах, имеют приемлемые параметры сжигания только на полной нагрузке. Однако в отдельных установках, имеющих контроль содержания кислорода, нагрузка может быть уменьшена до 50 % без изменения эффективности или эмиссии. В таких котлах проводится отбор проб и анализ содержания кислорода в дымовых газах и автоматическое регулирование подачи воздуха. [9–3].

Аналогичные системы используются в автомобилях. Для того, чтобы не приходилось загружать котлы каждые 2–5 часов в холодные периоды года, номинальная мощность котлов выбирается в 2–3 раза больше номинальной тепловой потребности здания. Это означает, что для котлов с ручной подачей топлива требуется больший размер. Котлы, использующие дрова, должны иметь емкость для хранения топлива. Это обеспечивает комфорт для пользователя, меньшие финансовые затраты и экологическое воздействие. Кроме того, в котлах без такой емкости часто наблюдаются усиленная коррозия, вызванная колебаниями температуры воды и дымовых газов.

Принцип BURN-THROUGH (подача воздуха сквозь топливо).

Практически все старые печи используют этот принцип. Воздух поступает в них снизу и проходит вверх, преодолевая массив топлива. В таких печах топливо сгорает очень быстро. Газы не сгорают полностью, потому что температура внутри низкая. Большая часть газов вместе с энергией, содержащейся в них, попадает в дымоход. Дымовые газы не успевают передать тепловую энергию в сравнительно коротком дымоходе. В целом эффективность таких печей обычно не превышает 50 %. [9–3].

Рис. 9–5. Котел с подачей воздуха сквозь слой топлива /

Рис. 9–6. Котел с нижней подачей воздуха.

 

9.2.5. Котлы с нижней подачей воздуха

Такие котлы весьма отличаются от описанных выше печей. Поступающий в них воздух проходит не через весь массив топлива, а только через часть. При этом горит только нижний слой древесины. Остальные слои высушиваются и медленно газифицируются. Добавление воздуха (так называемый вторичный воздух) непосредственно в пламя позволяет сжигать летучие компоненты более эффективно. В топочных камерах современных котлов с нижней подачей воздуха имеется керамическая футировка, сохраняющая тепло внутри камеры. Это позволяет повысить температуру и эффективность сжигания. Типичная эффективность таких котлов находится на уровне 65–75 %. [3].

 

9.2.6. Котлы со встречной подачей

В таких котлах воздух также подается только к части топлива. Газы также образуются медленно и сгорают более эффективно. Вторичный воздух также подается в футированную камеру сгорания, в которой поддерживается высокая температура. Дымовые газы должны преодолеть большое расстояние внутри котла, отдавая при этом тепловую энергию. Эффективность таких котлов находится обычно на уровне 75–85 %. Некоторые из них снабжены вентиляторами для подачи воздуха вместо использования естественной тяги. Сжигание в таких котлах происходит лучше, с меньшим образованием сажи. Однако их эффективность отличается незначительно. [9–3].

Рис. 9–7. Котел со встречной подачей.

 

9.2.7. Эффективность (КПД) котлов

Качество котла зависит от отношения между энергией, содержащейся в топливе, и энергией, переданной в систему теплоснабжения. Это отношение называется эффективность или коэффициент полезного действия (КПД). Чем выше эффективность котла, тем большая часть энергии топлива будет передана теплоносителю (воде) в котле. Хорошие котлы имеют эффективность 80–90 %.

Потребление древесины в котлах со встречной подачей обычно находится в диапазоне от 4 кг/час для котла мощностью 18 кВт до 18 кг/час для котла мощностью 80 кВт. Для условий Центральной Европы средний односемейный дом (150 м2) потребляет 12 м3 древесины за отопительный сезон. Типичный котел может сжигать куски дерева длиной до 80 см. В таблице внизу приведены дополнительные данные о котлах промежуточного размера. [9–3].

Таблица. 9-1

Данные о котлах промежуточного размера

Теплотворная способность древесины 15 МДж/кг.

 

9.2.8. Бак-аккумулятор

Установка бака-аккумулятора совместно с древесносжигающими котлами имеет смысл всегда. Дополнительные расходы, связанные с приобретением и установкой бака, окупаются достаточно быстро. Качество сжигания улучшается. Вскоре после зажигания топлива процесс горения стабилизируется, и котел начинает производить тепло. Без бака вода очень скоро станет слишком горячей, и регулирующая заслонка должна будет уменьшить поступление воздуха для того, чтобы предотвратить закипание воды. Уменьшение количества воздуха приводит к повышенному образованию дыма и неполному сгоранию. [3].

При наличии бака процесс горения может продолжаться, при этом тепло накапливается в баке. Вода в котле не перегревается. Заслонка открыта, а процесс горения происходит с максимальной эффективностью. Теплая вода поступает в радиаторы непосредственно из бака-аккумулятора. Размеры бака зависят от количества тепла, необходимого для здания, и эффективности котла.

 

9.2.9. Выбор топлива

Топливо должно быть сухим. Содержание воды в свежеспиленном дереве достигает 50 %, поэтому сжигать его сразу неэкономично. Часть энергии при сжигании будет затрачено на испарение воды, соответственно количество полезной энергии окажется меньшим. Поэтому перед сжиганием древесина должна высушиваться. Лучшее, что можно сделать – подождать по крайней мере год, а лучше два. Простейшим способом является хранение древесины на открытом воздухе под навесом или в сарае, предохраняющем от прямого попадания дождя. [9–3].

 

9.2.10. Дымоход

Дымоход формирует тягу в котле. Тяга получается из-за разности плотностей воздуха на входе котла и в верхней части дымохода. Поэтому высота дымохода, температура дымовых газов и теплопроводность материалов влияют на величину тяги. Изгибы и наличие горизонтальных участков уменьшают тягу. Они вызывают сопротивление, которое должен преодолеть горячий воздух. Поэтому обычно количество горизонтальных участков и изгибов сводится к минимуму. Некоторые котлы имеют встроенные вентиляторы, обеспечивающие необходимую тягу на постоянной основе. [9–3].

 

9.3. Типы котлов для щепы и гранул

 

Существует три типа котлов с автоматической подачей для щепы и гранул:

• Компактные устройства, в которых котел и бункер объединены.

• Устройства с питателем, в которых котел и бункер отделены друг от друга.

• Котлы с предтопком.

 

9.3.1. Компактные устройства

В таких устройствах топливо подается из бункера с помощью автоматического питателя. Количество подаваемого топлива определяется с помощью термостта. Если вода в котле имеет малую температуру, подается больше топлива, и наоборот. Компактные устройства прекрасно работают на гранулах. Они менее приспособлены для щепы, которая имеет меньшую энергетическую плотность. Для щепы загрузка топлива должна проводиться часто. Кроме того, влажность щепы нередко бывает слишком высокой, в результате ее сгорание происходит неоптимальным образом. [9–3].

 

9.3.2. Котлы с питателем

В таких котлах топливо также подается автоматически из бункера с помощью шнекового конвейера. Топливо подается в нижнюю часть решетки, где и происходит сгорание. Контроль также осуществляется с помощью термостата. Лучшим видом топлива являются гранулы, однако сжигание щепы также возможно в устройствах, разработанных специально для щепы. Щепа при этом не должна быть слишком влажной, поэтому необходима ее предварительная сушка. Лучшим способом сушки является выдерживание древесины перед измельчением в рубительной машине. Щепа также может сушиться после рубки, по крайней мере, в течение двух месяцев. Для этой цели необходимо значительное пространство для ее хранения. [9–3].

Рис. 9–8. Котел с питателем.

 

9.3.3. Котлы с предтопком

В этом типе котлов сжигание топлива в основном происходит при высокой температуре в предтопках. Для поддержания высокой температуры предтопки имеют глиняную обмуровку. Котлы с предтопком пригодны для сжигания влажной древесной щепы. Не сгоревшие в предтопке газы дожигаются в котле. В некоторых котлах могут сжигаться и гранулы, однако существуют котлы, которые могут быть повреждены при сжигании сухого топлива. Поэтому перед приобретением котла необходимо проконсультироваться с производителем.[9–3].

 

9.3.4. Соломосжигающие котлы (солома злаковых, стебли)

Солома имеет близкую к древесине теплотворную способность и может быть использована в качестве топлива для котлов. Однако существует ряд трудностей, из-за которых солома используется преимущественно в больших котлах, обычно работающих в системах централизованного теплоснабжения и в сельском хозяйстве.

Рис. 9–9. Котел с предтопком.

Солома – сложный вид топлива. Обеспечение котла соломой затруднено ее негомогенной структурой, относительно большой влажностью и большим объемом по сравнению с содержанием энергии. Объем соломы превышает в 10–20 раз объем угля с аналогичным содержанием энергии. Более того, 70 % сгораемых компонентов соломы содержатся в летучих газах, выделяющихся в процессе сжигания. Большое содержание летучих компонентов требует специальной конструкции топки и организации потока воздуха в ней. Солома содержит соединения хлора, которые могут вызвать проблемы с коррозией при высоких температурах. Температура плавления соломенной золы относительно низкая из-за высокого содержания щелочных металлов. В результате могут возникать проблемы с золоудалением.[9–3].

 

9.3.5. Системы централизованного теплоснабжения

Несмотря на перечисленные проблемы, в мире существует большое количество станций централизованного теплоснабжения, использующих солому в качестве топлива. Начиная с 80-х годов, только в Дании было построено более 70 таких станций. Их мощность варьируется от 0,6 до 9 МВт при средней мощности 3,7 МВт. На этих станциях используются так называемые тюки Хестона (Hesston bales), имеющие размеры 2,4x1,2x1,3 м и вес 450 кг. Конструкции станций предусматривают возможность использования резервного топлива в газовых или мазутных котлах для случаев большой пиковой нагрузки, ремонтов и аварий. Мощность соломосжигающих котлов обычно соответствует 60–70 % максимальной нагрузки, что облегчает их эксплуатацию летом в условиях низкой нагрузки. [9–3].

Соломосжигающие станции состоят из стандартных компонентов:

– хранилище для соломы.

– устройство для взвешивания соломы.

– погрузчик.

– конвейер.

– устройство подачи топлива в котел (питатель).

– котел.

– устройство для очистки дымовых газов.

– дымовая труба.

 

9.3.5.1. Котел

Конвейер подает солому в нижнюю часть котла, где находится массивная железная решетка. Здесь и происходит сжигание. Решетка обычно делится на несколько зон сгорания, каждая из которых имеет собственный вентилятор, подающий воздух через решетку. Сжигание может контролироваться независимо в каждой зоне. Таким образом достигается полное сжигание соломы. Большая часть горючих веществ (70 %) в результате нагрева выделяется в виде летучих компонентов, которые сгорают в топочной камере над решеткой. Для обеспечения полного сгорания летучих компонентов вторичный воздух подается через форсунки, установленные в стенках котла. Из топочной камеры дымовые газы подаются в конвективную зону котла, в которой большая часть тепла передается через стенки котла циркулирующей воде. Конвектор обычно состоит из рядов вертикальных труб, через которые пропускаются дымовые газы. В большинстве существующих станций имеется экономайзер – теплообменник, установленный за конвектором. В экономайзере происходит дополнительная передача тепла воде, что приводит к увеличению эффективности системы в целом. [9–3].

 

9.3.5.2. Требования к качеству соломы

Солома, поставляемая для сжигания, должна удовлетворять определенным требованиям для того, чтобы уменьшить риск возникновения эксплуатационных проблем в процессе производства энергии. Хранение, подготовка, дозирование, подача, сжигание и экологические последствия перечисленных операций таят в себе возможность возникновения проблем. Влажность соломы является одним из самых важных критериев качества этого вида топлива. Обычно влажность варьируется в пределах 10–25 %, но иногда может быть и выше. Теплотворная способность и цена соломы зависит от влажности.[9–3].

Все тепловые станции определяют приемлемую максимальную влажность поставляемой соломы. Высокое содержание воды может вызвать проблемы при хранении и нарушения в работе станции в целом, а также уменьшение мооности и увеличение затрат на подготовку, дозирование и подачу соломы в котел (и, возможно, уменьшение КПД котла). Приемлемая максимальная влажность поставляемой соломы отличается для разных станций в пределах 18–22 %. Разные виды соломы обладают различными свойствами при сгорании. Некоторые виды горят практически взрывообразно, почти не оставляя золы, другие горят медленно, оставляя на решетке "скелет" золы. Опыт, накопленный на разных станциях централизованного теплоснабжения, не всегда идентичен. Различия в процессе сжигания не всегда можно объяснить на основании обычных лабораторных измерений.

 

9.3.5.3. Системы отопления мощностью менее 1 мВт

Этот тип установок отличается от систем централизованного теплоснабжения и используется в основном в сельской местности. Использование соломы в качестве источника энергии в аграрном секторе началось в 70-х годах в результате энергетического кризиса, во время которого существовали субсидии на установку соломосжигающих котлов. За последние 10–15 лет концепция таких котлов была развита от маленьких и примитивных котлов, требующих наличия обслуживающего персонала, сжигающих тюки, подающиеся вручную, и имеющих проблему с дымовыми газами, до больших котлов, сжигающих тюки часто с автоматической подачей, с загрузкой топлива 1–2 раза в сутки. [9–3].

Ранее на рынке преобладали котлы для маленьких тюков. Сегодня большая часть котлов с периодической подачей приспособлена для больших тюков (круглые и прямоугольные тюки Хестона). Котлы, использующие большие тюки, хорошо приспособлены для обеспечения годовой потребности в тепле, соответствующей потреблению по крайней мере 10000 литров мазута. Имеются котлы разных размеров, использующие одновременно от одного круглого тюка (200–300 кг) до двух тюков Хестона (1000 кг). Обычно котел сжигает тюки последовательно. Трактор, оборудованный захватом, доставляет тюк на решетку через открытую переднюю часть котла. Для обеспечения хорошего сжигания и уменьшения уноса частиц в дымовых газах скорость и количество подаваемого в котел воздуха могут отличаться в верхней и нижней части топочной камеры.

Ранее котлы с периодической загрузкой вызывали много проблем в случае использования соломы низкого качества. Кроме того, возникали сложности с контролем подачи воздуха. В последних моделях эти проблемы решены. Содержание воды, однако, должно поддерживаться не выше 15–18 %. Сегодня максимальная эффективность котлов достигает 75 % при содержании СО ниже 0,5 %. Десять лет назад типичным значением эффективности было 35 %. [9–3]

Рис. 9-10. Загрузка топки котла соломенными тюками.[3].

 

9.3.5.4. Котлы с автоматической подачей топлива

Интерес к котлам с автоматической загрузкой вырос потому, что популярные котлы с периодической подачей тюков малого размера требуют наличия значительного обслуживающего персонала. Было разработано несколько типов автоматических котлов, однако все они включают дозирующее устройство, которое автоматически и постоянно снабжает котел соломой. Такое устройство может работать с целыми тюками, измельченной соломой или соломенными гранулами. [9–3].

 

9.3.5.5. Котлы для соломенных тюков

Устройство, состоящее из рыхлителя и режущего приспособления, разделяет тюки на отдельные части разных размеров. Тюки подаются в него с помощью конвейера. Количество поступающей соломы часто регулируется с помощью изменения скорости конвейера. После измельчения солома перемещается с помощью червячного транспортера или вентиляторов. Если используются вентиляторы, то расстояние до котла может быть большим, однако при этом используется большее количество энергии.

На практике рыхлитель не режет или разрывает солому, а разделяет ее на сегменты, в которых солома была спрессована пресс-подборщиком. Для обеспечения постоянного количества подаваемой соломы рыхлитель обычно оборудован удерживающим устройством. Большинство рыхлителей также имеют ножи для измельчения от образования больших фракций соломы. [9–3].

В автоматических котлах сжигание происходит одновременно с подачей соломы в топку. Количество подаваемого воздуха соответствует количеству соломы и регулируется с помощью переменной заслонки перед вентилятором. Это обеспечивает оптимальное сжигание и высокий коэффициент использования топлива, а значит и уменьшение эмиссии пыли по сравнению с ручными котлами, не имеющими регулировки подачи воздуха. Возгорание соломы в автоматических котлах не вызывает проблем, поскольку подача топлива происходит непрерывно. [9–3].

 

9.3.5.6. Котлы для соломенных гранул

Интерес к использованию соломенных гранул в качестве источника энергии вырос в течение последних лет. В настоящее время производство и использование соломенных гранул относительно невелико. Интерес вызван однородной и удобной структурой этого вида топлива, прекрасно приспособленного для транспортировки в танкерах и использования в автоматических теплоснабжающих установках. Однако существуют еще нерешенные проблемы с золоудалением в случае использования соломенных гранул в малых котлах. [9–3].

Отопительные устройства на гранулах обычно используются в индивидуальных домах. Обычно они состоят из котла и закрытой емкости для топлива (соломенных гранул). Червячный питатель подает гранулы в топку котла. Питатель работает периодически, а количество подаваемого топлива регулируется величиной интервала между его последовательными включениями. Воздух подается с помощью вентилятора. Количество золы в малых котлах обычно равно 4 % от веса использованной соломы.

В Украине наиболее перспективными для коммерческого использования в ближайшие годы можно считать следующие технологии:

• промышленные древесносжигающие котлы мощностью 0,1–5 МВт для установки в гослесхозах и на деревообрабатывающих комбинатах;

• древесносжигающие станции централизованного теплоснабжения (ЦТ) мощностью 1-10 МВт;

• соломосжигающие фермерские котлы и котлы для малых теплосетей мощностью 0,1–1 МВт;

• соломосжигающие станции ЦТ мощностью 1-10 МВт;

• биогазовые установки для крупных ферм КРС, свиноферм, птицефабрик и предприятий пищевой промышленности;

• установки добычи и использования биогаза с полигонов ТБО в миниэлектростанциях мощностью 0,5–5 МВт. [9–3].

В Таблице 9–2 представлены данные по оборудованию, которое может быть установлено в Украине в рамках реализации разработанной концепции. Снижение выбросов СО2 рассчитано для случая замещения природного газа. При расчетах приняты следующие показатели удельных капитальных затрат, исходя из стоимости оборудования украинского производителя (в скобках также указаны используемые в расчетах средние мощности оборудования):

• древесносжигающие котлы централизованного теплоснабжения – 75 $/кВтт (2 МВт);

• промышленные древесносжигающие котлы – 100 $/кВтт (1 МВт);

• древесносжигающие мини-ТЭЦ – 1000 $/кВтэ (5 МВтэ+10 МВтт);

• малые бытовые древесносжигающие котлы – 50 $/кВтт (30 кВт);

• соломосжигающие фермерские котлы и котлы для малых теплосетей – 80 $/кВтт (0.2 МВт);

• соломосжигающие станции централизованного теплоснабжения – 100 $/кВтт (2 МВт);

• соломосжигающие мини-ТЭЦ – 1500 $/кВтэ (5 МВтэ+10 МВтт);

• биогазовые установки – 100 $/м3 объема метантанка (объем метантенка 1000 м3, 75 кВтэ+150 кВтт);

• миниэлектростанции на биогазе с полигонов ТБО – 600 $/кВтэ (1 МВтэ).

• биоэнергетическое оборудование, которое может быть установлено в Украине в рамках реализации предложенной концепции.

Таблица. 9-2

Биоэнергетическое оборудование, которое может быть установлено в Украине в рамках реализации предложенной концепции [9–3].

* включая 2478 установок на фермах КРС, 295 – на свинофермах, 130 – на птицефабриках.

 

9.4. Получение электроэнергии из биомассы

 

9.4.1. Газификация [9–3]

Обычно электроэнергию из древесины получают путем использования паровых турбин конденсационного типа. При этом биомасса сжигается в котле для производства пара, который, попадая в турбину, приводит в движение генератор. Технология хорошо известна, проверена и позволяет использовать широкий диапазон топлив. Однако оборудование сравнительно дорогое, а эффективность сравнительно низкая. При этом возможности улучшения этих параметров в будущем ограничены. [9–3].

Новейшим способом получения электроэнергии из биомассы является газификация. Часть лигноцеллюлозного твердого топлива переводится в газообразную форму, содержащую 65–70 % энергии исходного топлива. Получаемые горючие газы могут использоваться аналогично природному газу для производства электроэнергии, в качестве топлива для автомобилей, в промышленности, или для получения синтетических видов топлива. Технология находится в стадии интенсивных исследований.

Многообещающей альтернативой является термохимическая газификация биомассы в условиях ограничения количества воздуха и использование получаемых газов в газовых турбинах. Газовые турбины относительно дешевые, более эффективные и имеют хорошие перспективы улучшения обоих показателей.

Газификаторы биомассы обычно имеют четыре основные составные части:

• Система подготовки и подачи топлива.

• Реактор.

• Газоочистка, система охлаждения и перемешивания.

• Энергетическая установка, например, двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с генератором или насосной установкой, или газовая горелка в котле или печи. [9–3]. Использование газа в ДВС с последующим производством электроэнергии предъявляет жесткие требования к газификатору и качеству получаемых газов. Необходимость очистки, охлаждения и перемешивания газа делает технологию достаточно сложной. Опыт эксплуатации подобных устройств в мире показал, что они чувствительны к изменению параметров топлива, изменению нагрузки оборудования, качеству обслуживания и условиям окружающей среды.

К газификаторам, используемым только для производства тепла, не предъявляются столь жесткие требования, поэтому их легче проектировать и эксплуатировать, они дешевле и более эффективные с энергетической точки зрения.[9–3].

Все типы газификаторов требуют использования топлива с низкой влажностью и малым содержанием летучих компонентов. Поэтому древесный уголь хорошего качества является лучшим видом топлива. Однако его использование требует дополнительного оборудования, что снижает общую эффективность метода. [9–3].

В простейшей газовой турбине с открытым циклом горячие газы выбрасываются непосредственно в атмосферу. Другой возможностью является их использование для производства пара с помощью утилизатора тепла.

Рис. 9– 11. Промышленный газификатор [9–3].

Пар может использоваться для обогрева в когенерационных системах, а именно для повторного впрыска в газовую турбину. Это приводит к увеличению производства энергии и повышению общей эффективности системы (цикл STIG – газовые турбины с инжекцией пара в паровых турбинах и цикл GTCC – комбинированный газопаровой цикл). Биомассу легче газифицировать, чем уголь. К тому же, она имеет меньшее содержание серы. Использование технологий BlG/GTs для когенерации, а также для производства электроэнергии во многих случаях может оказаться дешевле, чем использование для этих целей больших централизованных угольных тепловых станций, для которых необходимо проводить сероочистку, а также атомных и гидростанций. [9–3]. Газификаторы, использующие древесину и древесный уголь, становятся коммерческим продуктом… Капитальные затраты могут быть значительно уменьшены в случае использования для строительства местных материалов. Например, стоимость газификатора, построенного из железобетона в Азиатском технологическом институте (Бангкок) оказалась в десять раз меньше западных аналогов. Для развивающихся стран многообещающей перспективой является использование технологии BlG/GTs (бъединяющим газификацию биомассы и газовые турбины (BlG/GTs) для потребностей сахарной промышленности и производства этанола.[9–3].

 

9.4.2. Совместное сжигание

Совместное сжигание, например, газифицированной биомассы и угля является хорошей возможностью уменьшения атмосферной эмиссии на угольных электростанциях. В 1999 году новая установка для совместного сжигания биомассы и угля была запущена в городе Zeltweg (Австрия). Газификатор биомассы мощностью 10 МВт был установлен на существующей угольной электростанции. Газификатор потребляет 16 м3 биомассы (щепа и кора) в час. Теплотворная способность получаемого газа находится в диапазоне 2,5 – 5 МВт/м3. Проект, получивший название «Biococomb», являлся демонстрационным проектом ЕС. Он был реализован компанией «Verbund» совместно с другими компаниями из Италии, Бельгии, Германии и Австрии и частично финансировался Европейской Комиссией. [9–3].

Сжигание биомассы и газовые турбины.

В развитых странах существует тенденция увеличения числа малых и более гибких установок для совместного производства тепла и электроэнергии, использующих биомассу в качестве топлива. Одним из новейших представителей этого типа устройств является когенерационная станция в городе Ноксвилл (Knoxville, штат Теннеси, США). Установка сочетает топку для древесины и газовую турбину. Перед турбиной горячие газы под давлением проходят через фильтр. Установка может работать на свежих опилках (40 % влажности). При электрической мощности 5,8 МВт установка потребляет 10 тонн опилок в час. Тепло уносится с выхлопными газами, имеющими температуру 370 °C. Электрический КПД равен 19 %, а общий КПД – 75 %. Выхлопные газы могут использоваться в паровой турбине, увеличивая электрическую мощность до 9,6 МВт, а электрический КПД – до 30 %. Установка в Ноксвилле работает с 1999 года.[9–3].

 

9.4.4. Пеллетные котлы

Для большинства строительных компаний, простых владельцев жилья, а также застройщиков на сегодняшний день одним из наиболее актуальных вопросов является обогрев помещений в зимнее время. Проблема осложняется тем, что даже в современных условиях не всегда получается использовать те системы отопления, которые работают непосредственно на газе и электроэнергии. А причиной тому во многом является экономическая нецелесообразность. Нередко выгоднее использовать иное отопительное оборудование. К примеру, котлы на пеллетах, которые отлично работают на твердом биотопливе. [9–4]. Пеллетные котлы – это твердотопливные системы отопления, использующие в качестве топлива пеллеты.

Рис. 9-12. Древесные пеллеты [9–4].

Рис. 9-13. Пеллетный котел.[9–4].

Котлы на пеллетах обладают рядом преимуществ. У них достаточно высокий коэффициент полезного действия – примерно 90 %. Они удобны в эксплуатации, а также обладают превосходными техническими характеристиками, обеспечивают в помещении максимальный уровень комфорта, который не уступает обогреву посредством газа и электричества. Пеллетные котлы выгодны еще и своей относительной дешевизной, ведь древесные гранулы и стоят намного меньше, чем жидкое/газообразное топливо для другого отопительного оборудования. А на их обслуживание нет значительных растрат, поэтому с финансовой точки зрения данные системы отопления домов являются крайне выгодным вариантом. [9–4]. Производство котлов на пеллетах осуществляется с использованием современных технологий, учитывая все современные тенденции в теплоэнергетике. Котлы на пеллетах обладают различной стоимостью, поэтому всегда есть возможность подобрать такое оборудование, которое подойдет вам по цене.

Производство пеллетных котлов предусматривает широкий диапазон мощностей – от 15 до 500 кВт, в зависимости от площади, а также состояния теплоизоляции помещения, в котором планируется монтаж системы отопления. Ориентировочный расчёт теплопотерь системы отопления, а также требуемой мощности пеллетного котла можно осуществить как самостоятельно, так и обратившись к специалистам, работающими в данной сфере. Вам обязательно помогут подобрать подходящую модель, а также проконсультируют по монтажу выбранной системы отопления.

Котлы на пеллетах не требуют практически никакого специального обслуживания, и поэтому для домов, а также коттеджей – это практичное, интересное и экологичное решение.

ПРЕЖДЕ ВСЕГО, ПЕЛЛЕТНЫЕ КОТЛЫ ОТОПЛЕНИЯ – ЭТО НЕЗАВИСИМОСТЬ ОТ МАГИСТРАЛЬНЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМ.

Котлы, работающие на пеллетах, нуждаются лишь в наличии электричества. А что делать, если во время функционирования такого отопительного котла на древесных гранулах исчезнет напряжение в сети? Такой вопрос задают многие потенциальные покупатели. В данном отношении твёрдотопливные котлы на пеллетах – наиболее безопасные и эффективные. Во-первых, при исчезновении в горелке пламени исключены все возможные трагические последствия (утечки топлива не произойдет, как, это может быть с газом). Ну, а во-вторых, даже если и отсутствует электропитание, топливные котлы на пеллетах способны до восьми часов поддерживать активное горение. Этого времени будет вполне достаточно, для того чтобы энергетики смогли восстановить активную и непрерывную подачу электричества, даже если где-либо на линии произошел обрыв или серьезная авария.[9–5].

В настоящее время рынок предлагает множество видов пеллетных котлов.[9–5].

Наиболее перспективными для сжигания пелеттов являются котлы твердотопливные. Они обладают целым рядом следующих преимуществ:

Эффективность. Пеллетные твердотопливные котлы отопления отличаются высоким КПД – 85–95 %.

Автоматизация. Твердотопливные пеллетные котлы имеют высокий уровень автоматизации. Такое оборудование обеспечивает стабильное поддержание заданной температуры. Автоматически, по мере необходимости осуществляется и подача топлива из бункера. Благодаря этому в течение нескольких суток такие котлы способны функционировать без участия человека. [9–5].

Безопасность. Твердотопливные котлы на пеллетах гарантируют полную пожарную и взрывную безопасность.

Рис. 9-14. Вид твердотопливного пеллетного котла в разрезе.

Рис. 9-15. Внешний вид твердотопливного котла на пеллетах.[9–5].

Простота эксплуатации. Системы пеллетного отопления не требуют специального обслуживания. Чистка золы проводится один раз в месяц.

Длительный срок эксплуатации. Пеллетные котлы способны прослужить 20 и более лет

 

9.5. Крупные газогенераторные станции

 

Газогенераторная (ГГ) электростанция в г. Неймеген провинции Гелдерланд в Нидерландах. ГГЭлектростанция использует древесные отходы и древесную щепу. Отходы лесорубки и деревообработки собираются в трех местах в Нидерландах. Древесная щепа затем транспортируются в контейнерах на ГГЭлектростанцию. Чипы затем выгружается в приемный бункер и передается на дробление. После дополнительной очистки магнитами, остальная часть загрязнений удаляется ветерпросеивающей установкой. Затем материал доставляется в молотковую мельницу (15ton/hr), которая размалывает на частицы не более 4 мм. Этот поток материала просеивают и далее разделяют перед транспортировкой в пылесборник. Статический классификатор удаляет коло 10 % материала <800um. Сушка предварительно нагретым воздухом используется для сушки материала на стадии мельницы. [9–6].

Netherlands: Нидерланды:

Рис. 9-16. Газогенераторная электростанция в г. Неймеген.

Каждая мельница перерабатывает около 1,8 тонн в час, с конечной плотностью продукта от 200 до 240 кг/м3. Система замера подает древесный порошок в четыре отдельные линии впрыскивания в горелки, каждая из которых способна передать от 1,1 до 3,5 тонн в час. Четыре особых горелки мощностью 20MWth каждая установлены в котле (по два с каждой стороны) ниже самых низких рядов существующих 36 угольных горелок.

Существует пеллеты из смешанной биомассы, используемой в совместном сжигании на заводе Maasvlakte (см. ниже). Гранулы изготовлены из осадка сточных вод, отходов древесины и бумаги ила, имеющихся в непосредственной близости от завода. Гранулы смешивают с исходного угля на конвейерных лент. Bio-Mass Nederland началась в начале 1998 года с производства пеллет, состоящих из биомассы (обрезки), осадки сточных вод и бумаги шлама. Годовой объем производства оценивается в 150 000 тонн материала с более высокой теплотворной способностью около 16 МДж / кг. Это количество топлива заменит 30000 тонн угля и тем самым приводит к эквивалентным сокращением выбросов CO2.

Рис. 9-17. ГГэлектростанция в Maasvlakte около Ротердама в Нидерландах.[9–6].

Нидерланды являются в Европе лидером по совместному сжиганию угля и биомассы. Это популярно по ряду причин: относительно дешевое совместное сжигание, экологическая чистота, снижение выбросов парниковых газов, эффективное преобразование биомассы в энергию, достижение реализации реализация в течение короткого периода.

Рис. 9-18. ГГэлектростанция в штате Миннесота (Fibrominn), США.

Расположение: штат Миннесота Оператор: Fibrowatt ООО Конфигурация: 1 X 55 MW Пуск в эксплуатацию: 2007 Топливо: помет птицы.

Краткая информация: Это первая ГГэлектростанция в США, предназначенная для сжигания 700000 тонн в год помета индейки плюс другая биомасса сельскохозяйственных отходов, что составляет около 40 % от помета, производимого комплексами по разведению индеек в шт. Миннесота, разработана компанией Fibrominn в партнерстве с администрацией города Бенсон.[9–7].

Рис. 9-19. ГГэлектростанция в местечке

BMC Moerdijk на юге Нидерландов.

Расположение: Netherlands Оператор: BMC Moerdijk BV Пуск в эксплуатацию: 2008 Топливо: помет птицы Краткая информация: Первая крупномасштабная ГГэлектростанция по сжиганию птичьего помета на территории континентальной Европы. Она принадлежит совместному предприятию Delta BV, австрийской энергетической AG, и сельскохозяйственным кооперативам Duurzame Energieproductie Pluimveehou-derij (DEP) и Zuidelijke Земля-En Tuinbouworganisatie (ZLTO). DEP будет поставлять 440 000 т помета на грузовиках, в основном из южной Голландии. Строительство электростанции стоимостью € 150 млн. началось 28 августа 2006, а официальное открытие было на 3 сентября 2008. Около 25 сотрудников работают на предприятии.[9–7].

Рис. 9-20. ГГэлектростанция в местечке Amel, Бельгия

Оператор: Renogen SA Конфигурация: 1 X 5.3 MW CHP Ввод в эксплуатацию: 2007 Топливо: wood Краткая информация: ГГТЭЦ поставляет горячую воду для двух заводов в новом Quot в промышленном районе Арденн, а электричество поступает в сеть. Топливо – древесные отходы из местных лесозаготовительных компаний. [8].

Рис. 9-21. Газогенераторный блок GE Jenbacher, который будет построен в рамках Фазы 2 программы использования биомассы как топливо. [8].

Рис. 9-22. Газотурбогенератор, использующий генераторный газ из биомассы, мощность 300kW-450kW.[9].Основная технология газогенерации биомассы компании Nexter-ra – это системы восходящего потока газификации с неподвижным слоем, дающие в конечном итоге на выходе тепловую энергию от 2 до 40 МВт (от 8 до 140 млн. БТЕ / ч) и электрическую 2 – 15 МВт. Системы Nexterra просты по конструкции, способны обрабатывать широкий диапазон сырья и производят очень низкий уровень выбросов.

 

9.5.1.Газогенераторная Электростанция мощностью 10 МВт на Возобновляемых Источниках Энергии

Компания Nexterra поставила в Соединенном Королевстве свой первый проект газификации биомассы для компании MWH и системы Бирмингем Био ООО. Вклад компании Nexterra в создании электростанции мощностью 10 МВт электроэнергии из возобновляемых источников для продажи в сеть. в Tyseley, Великобритании составляет 47,8 млн. фунтов стерлингов. Проект был разработан Carbonarius.. Элетростанция будет использовать 67 000 зеленых тонн / год локально-источников класса А – С древесных отходов для производства пара, который будет преобразован в электричество через паровую турбину и систему газогенератора.[9-10]

Рис. 9-23. Схема газификатора Nexterra в разрезе.

1. Система поступления топлива.

Измерительный бункер обеспечивает краткосрочное хранение топлива и обеспечивает постоянную подачу топлива в газогенератор.

Топливо ттранспортируется горизонтальным шнеком от дозирующего бункера к вертикальному шнеку, который толкает топливо в основу топливной стопку внутри газификатора.

2. Газификация. В газогенераторе, топливо проходит через последовательные стадии сушки, пиролиза, газификации и приведения к золе. Воздух для горения (20 – 30 % от стехиометрического), пар и / или кислород вводят через внутренний и внешний конус в основание топлива. Частичное окисление, пиролиз и газификация происходят при 815 – 980 °C, и топливо преобразуется в «синтез-газ» и негорючую золу. Температура горения топлива жестко контролируются и поддерживается ниже температуры плавления золы для того, чтобы не формировался «клинкер» и чтобы зола выходила свободно.

Рис. 9-24. Газогенераторный блок компании Nexterra, (Канада, Ванкувер, основана в 2003 г.). [9-10].

3. Автоматическая система удаления золы. Образующаяся зола мигрирует к решетке в основе газогенератора, где она удаляется с перерывами через набор отверстий. Когда благодаря гидравлическому приводу, вращающийся решетка открывается, и пепел попадает в два зольных бункера. Каждый зольный бункер имеет два параллельных шнека, чтобы сбросить золу в зольный бункер.

4. Синтез-газ. Синтез-газ выходит из газогенератора при 260–370 °C. Синтез-газ можно сжигать в моноблочном окислителе с получением дымовых газов, направляемых к оборудованию, генерирующему тепловую энергию (например, котлы, тепловые масляные обогреватели, воздухвоздух теплообменники), или синтез-газ сжигается непосредственно в промышленных котлах или печах, или очищается для использования в ДВС или образования более дорогих газов и химических веществ.

Биогаз, представляющий собой преимущественно смесь метана и двуокиси углерода, производится как в естественных, так и в искусственных условиях. Однако с технико-экономической точки зрения, производство биогаза в искусственных системах представляет собой лучший и наиболее удобный метод. Одним из определяющих требований для производства биогаза является наличие герметичного контейнера. Биогаз может быть получен только в анаэробных условиях. Герметичный контейнер, используемый для производства биогаза в искусственных условиях, называется дайджестер (метантенк) или реактор.

Рис. 9-25. Газоэлектрогенератор GM, мощностью 21000 Вт, использующий генераторный газ.[9-11].

 

9.6. Оборудование для производства биоэтанола

Рис. 9-26. Схема производства биоэтанола из кукурузы. [9-12].

Биогазовая установка (БУ) представляет собой герметичный контейнер, который обеспечивает процесс ферментации органических материалов в анаэробных условиях. Другими названиями может быть «Биогазовый Дайджестер», «Биогазовый Реактор», «Метановый Генератор», «Метановый Реактор». Биогаз собирается в верхней части метантенка. В некоторых БУ имеются плавающие газгольдеры для сбора биогаза, в других для этого предусмотрена отдельная камера. Из метантенка сброженный жидкий остаток удаляется (часто автоматически) по выпускным трубопроводам.

Рис. 9-27.Технологическая схема осахаривания целлюлозы/гемицеллюлозы[9-13].

Рис. 9-28. Завод по производству биоэтанола, г. Йорк, ш. Небраска, США.[14].

Рис. 9-29.Технологическая схема производства биоэтанола из сладкого сорго.[9-15].

 

9.7. Оборудование для производства биодизельного топлива

Рис. 9-30. Технологическая схема производства биодизельного топлива из растительного масла.[9-16].

Рис. 9-31. Биодизельный завод, внешний вид. [9-17].

Рис. 9-32. Новый биодизель завод Империум в Hoquiam. [9-18].

Рис. 9-33. Биодизельная индустрия. Бытовое топливо[9-19].

 

9.8. Малые биогазовые установки

 

Системы для производства биогаза. Устройство биогазовых установок. Компоненты биогазовых установок.

Основными компонентами БУ являются: метантенк (реактор), газгольдер, система загрузки, система выгрузки, смесительная емкость и выпускной газопровод. [9–3].

Рис. 9-34. Биогазовая установка с фиксированным куполом (Непал).

Рис. 9-35. Биогазовая установка с плавающим куполом (Индия).

 

9.8.1. Метантенк

Представляет собой цилиндрическую или эллипсоидальную конструкцию, в которой происходит процесс сбраживания (ферментации) субстрата. Часто метантенк называют ферментационной емкостью или камерой. В простых БУ для индивидуальных хозяйств, работающих при температуре окружающего воздуха, метантенк рассчитан так, чтобы среднее время пребывания в нем навоза равнялось 55, 40, 30 и 10 дням. Это время называется гидравлическим временем удержания (ГВУ) биогазовой установки. Продолжительность 55, 40, 30 и 10 дней определяется не только температурной зоной страны, но и конструктив-ными особенностями биогазовой установки.

Метантенк может быть построен с помощью кирпичной или каменной кладки, бетона или бетонных блоков, железобетонных или стальных конструкций. Для малых БУ с плавающим газгольдером и объемом от 2 до 3 кубометров внутренний объем метантенка представляет собой одну камеру. Для объема 4 кубометра и более внутри метантенка строится стенка. Это делается для того, чтобы избежать частичной циркуляции субстрата и повысить общую эффективность работы установки. Стенка делит объем метантенка на две половины. Для метаненка с фиксированным куполом разделение объема не используется. Это объясняется тем, что диаметр метантенков с фиксированным куполом обычно больше, чем у моделей с плавающим газгольдером. Поэтому проблема с частичной циркуляцией субстрата не возникает.[3].

 

9.8.2. Газгольдер или емкость для хранения биогаза

В случае плавающего газгольдера последний представляет собой барабан, сделанный либо из стальных листов, либо железобетона, либо различных видов пластика. Он размещается в верхней части метантенка как крышка, погружаясь боковыми стенками в субстрат. При отсутствии биогаза он стоит на специальных ребрах на стенках метантенка, предусмотренных для этой цели. Газ, образуясь в субстрате и поднимаясь вверх, собирается в барабане. Для подачи газа по трубопроводу к месту использования после открытия клапана, внутри газгольдера необходимо давление 8-10 см водяного столба. Это давление может быть обеспечено весом газгольдера 80-100 кг/м2. При движении вверх и вниз газгольдер направляется центральной направляющей трубой. Газ заперт со всех сторон за исключением нижней части. Корка, образующаяся на поверхности, перемешивается с помощью вращения газгольдера, имеющего внутри соответствующее устройство для перемешивания. Объем газгольдера индивидуальной БУ с плавающим газгольдером составляет 50 % суточного производства биогаза. То есть, газгольдер может быть полностью наполнен за 12 часов работы установки.

В случае конструкции с фиксированным куполом газгольдер часто называют камерой для хранения биогаза. В этом случае камера является неотъемлемой частью установки (метантенка) и сделана из тех же материалов, что и метантенк. Объем камеры соответствует 33 % суточного производства биогаза. То есть, камера может быть полностью наполнена за 8 ночных часов, когда биогаз не используется. [9–3].

 

9.8.3. Система загрузки

В БУ с плавающим газгольдером система загрузки представляет собой трубу, изготовленную из цемента. Труба опускается на дно метантенка и располагается по одну сторону от разделительной стенки (если таковая имеется). Верхняя часть трубы выходит в смесительную емкость. В некоторых случаях (конструкция с фиксированным куполом) система загрузки представляет собой емкость, выполненную из бетона или кирпича, соединенную в верхней части со смесительной емкостью, а в нижней – с впускным отверстием метантенка. [9–3].

 

9.8.4. Система выгрузки

В случае БУ с плавающим газгольдером система выгрузки сброженного навоза обычно представляет собой бетонную трубу, установленную под углом и погруженную в навозную массу. Иногда система выгрузки представляет собой прямоугольный или полусферический резервуар, соединенный в нижней части с метантенком с помощью выпускного отверстия, через которое автоматически удаляется сброженная масса. Верхняя часть резервуара накрыта крышкой.

Классификация биогазовых установок (БУ)

Малые биогазовые установки можно условно разделить на:

• БУ с плавающим газгольдером,

• БУ с твердым куполом,

• БУ с отдельным газгольдером и

• БУ с мягким газгольдером. [9–3].

 

9.8.5. БУ с плавающим газгольдером

Такая конструкция для Индии и представляет собой систему с полупостоянной загрузкой сырья. Обычно в ней используется газгольдер цилиндрической формы, плавающий в метантенке, имеющем соответствующую форму. Биогаз накапливается в газгольдере при давлении 8-10 см водяного столба. Объем газгольдера вмещает половину суточного количества биогаза. Если биогаз не используется регулярно, его излишки будут попадать в атмосферу, проникая в виде пузырьков газа между нижней кромкой газгольдера и стенками метантенка. [9–3].

 

9.8.6. БУ с твердым куполом

БУ с твердым куполом характерны для китайских крестьянских БУ. Китайские БУ используют в качестве сырья сезонные отходы растениеводства, фекалии домашних животных (свиней), человеческие фекалии и другие отходы домоводства. и по этой причине основаны на принципе полупорционной загрузки.

Индийские БУ отличаются от китайских, поскольку в Индии основным источником сырья является навоз и, как следствие, используется полупостоянная загрузка. Давление биогаза внутри китайских установок может быть в диапазоне от нуля до 150 см водяного столба. Обычно давление контролируется с помощью простого манометра, установленного на выходной трубе недалеко от места утилизации биогаза. В индийских установках давление может изменяться в пределах от нуля до 90 см водяного столба.[9–3].

 

9.8.7. БУ с отдельным газгольдером

Метантенк такой установки представляет собой герметичную емкость. Выходное отверстие для биогаза находится в верхней части метантенка и соединено с помощью трубопровода с плавающим газгольдером, расположенным на определенном расстоянии от метантенка. Таким образом, внутри метантенка нет избыточного давления, в результате чего снижена вероятность утечек субстрата в случае негерметичности основной емкости установки. Другим преимуществом такой системы является возможность подключения нескольких метантенков к одному большому газгольдеру, построенному в непосредственной близости от места использования биогаза. Недостатком является относительная дороговизна. Обычно общий газгольдер используется для подключения нескольких метантенков с полупорционной загрузкой. Такие БУ полной заводской готовности производились в РФ с 1992 по 2000 годы. Общее количество 85 комплектов, легко транспортируются любыми видами транспорта и быстро монтируются. [9–3].

 

9.8.8. БУ с мягким газгольдером

Основная часть такой установки, включая и метантенк (реактор), сделана из резины, плотного пластика или неопрена. Входная и выходная трубы для сырья и сброженной массы изготовлены из поливинилхлорида (ПВХ). Подобная же труба меньшего диаметра используется для выпуска биогаза. Такая установка легко перевозится и просто устанавливается. При установке та часть, в которой будет сбраживаемый субстрат, должна поддерживаться снаружи. Обычно БУ помещают в специальную емкость, углубленную в грунт. Глубина емкости соответствует при этом глубине реактора. Таким образом, уровень сбраживаемой массы соответствует уровню грунта. Для того, чтобы создать избыточное давление в газгольдере, на нем размещается специальный груз. Преимуществом такой установки является возможность серийного производства. Недостатком является относительная дороговизна пластика и резины хорошего качества. Более того, продолжительность эксплуатации такой установки меньше, чем у обычных биогазовых установок. Поэтому, несмотря на хороший потенциал, подобные биогазовые установки пока не получили широкого распространения [3].

Рис. 9-36. Внешний вид самого крупного биогазового парка (Померания, ФРГ).

Самый крупный в мире биогазовый парк расположен в федеральной земле Мекленбург – Померания (Mecklenburg-Vorpommern) на окраине небольшого города Гюстров (Güstrow). Строительство данного парка под названием Nawaro Bio-Energie Park Güstrow стартовало в 2009 г., а через полтора года, в 2010 г. парк заработал на полную мощность. Величина инвестиций составила 100 млн. евро, число занятых на сданном в эксплуатацию объекте – 100 человек. Название парка содержит наименование фирмы разработчика и подрядчика, осуществлявшей полный контроль всех работ – NAWARO BioEnergie AG, входящей в инжиниринговый концерн NAWARO. Поставки оборудования, средств автоматизации и др. осуществляли более 20 фирм из Германии. [9-20].

Рис. 9-37. Фермерские масштабные биогазовые установки (ФРГ) / Рис. 9-38. Промышленные биогазовые станции.

Рис. 9-39. Газоэлектрогенератор TCG 2016 мощностью от 400 до 800 кВт, используют любой газ: природный, биогаз, лендфил-газ, канализационный газ, шахтный газ, син-газ и др.

Такие генераторы главным образом используются для биогазовых и ТЭЦ в Европе. Наивысшая электрическая мощность – 1000 кВт. В мире эксплуатируется до 1900 таких генераторов общей мощностью один млн. кВт.

Рис. 9-40. Биогазовая станция в Китае.

Рис. 9-41. Карта расположения биогазовых станций в Соединенном королевстве [9-21].

Рис. 9-42. Биогазовый электрогенератор, мощность 600 кВт производитель [9-22].

Рис. 9-43. Биогазовая станция компании Diamond Energy [9-23].

Рис. 9-44. Карта распределения биогазовых станций в ЕС.-2007 [9-24].

Рис. 9-45. Карта размещения биогазовых станций и установок в Великобритании.[9-31].

Рис. 9-46. Карта биогазовых станций в Польше.[9-25].

Рис. 9-47. Карта расположения биогазовых станций в Земле Шлезвиг-Гольштейн (ФРГ) [9-26].

 

9.9. Когенерационные электрогенераторы

Рис. 9-48. Когенерационные электрогенераторы марки 8ДК-36 и 12ДК-36 [9-27].

Рис. 9-49. Схема когенерационного электрогенератора в разрезе. [9-28].

Рис. 9-50. Когенерационный электрогенератор фирмы Зоргбиогаз. [9-29]

Рис. 9-51. Передвижная Биогаз-когенерационная установка [9-30].

 

Литература

9-1.RUF и производство топливных брикетов

9–2.Briketnyj_press_RUF_LIGNUM., www.zet.spb.ru.

9-3.Биомасса(энергия биомассы).

9-4.Что такое пеллетные котлы

9-5.Преимущества твердотопливных котлов на пеллетах., www.science-award.siemens.ru.

9-6.Experiences in Europe and List of Biomass Co-firing Plants., www.eubia.org.

9-7.Biomass Power Plants in the USA – Other States., www.industcards.com.

9-8.New Gas for CHP Plants., www.renewcanada.net.

9-9.Газотурбогенератор, использующий генераторный газ из биомассы, www.fortune-group.en.made-in-china.com.

9-10.Nexterra – Renewable Energy and Fuels from Waste., www.nexterra.ca.

9-11.Газоэлектрогенератор GM, использующий генераторный газ. www. Biomass Gasification and Pellet Millsstakproperties.com.

9-12.Схема производства биоэтанола из кукурузы., www.MHV Corn Ethanol bio-process.com.

9-13.Best Kept Secret in the Ethanol Industry: BlueFire Ethanol (BFRE)www.seekingalpha.com.

9-14.Production Methods Summary www.greener-industry.org.uk.

9-15.Sweet sorghum R&D at the Nimbkar Agricultural Research Institute (NARI) www.nariphaltan.org.

9-16.Biodiesel Making Equipment www.home-made-biodiesel.com.

9-17.NORRES – BIO DIESEL PLANTwww.norres.net.

9-18.Биодизельный завод., www.komonews.com.

9-19.Biodiesel Industry Update – Domestic Fuel www domesticfuel.com.

9-20.Самые крупные биогазовые станции в мире.,

www.agropraktik.ru.

9-21.CR4 – Thread: Methane Gas as a Fuel

9-22.600kw Soundproof Biogas Power Generation Plant,Biogas Power Generation.,

www.sd-generator.en.made-in-china.com.

9-23.Tatura Biogas Plant.,www.diamondenergy.com.au.

9-24. The map of Biogas production capacity., www.tankonyvtar.hu.

9-25. Agricultural biogas plants in Poland: Investment process, economical and environmental aspects, biogas potential., www.sciencedirect.com.

9-26. Biomasse-Anlagen in Schleswig-Holstein., www.biomasse-

sh.de.

9-27. Daihatsu Diesel, POWER PLANT & CO – GENERATION SYSTEM.,|

9-28. Aegen Heat and Power Cogeneration Systems.,

www.aegisenergyservices.

com.

9-29. www.zorg-biogas.com.

9-30. chp.jpgwww.energychoice.com.

9-31. Map of UK biogas plants., www.recyclingportal.eu.

 

10.1.Запасы, производство и потребление нефти по странам мира

Самые большие запасы нефти – около 25 % всех мировых запасов – находятся на территории Саудовской Аравии. Доказанные запасы нефти в данной стране составляют более 35 млрд. тонн. Ирак является второй по величине нефтяных запасов страной в мире. Объем его доказанных запасов составляет около 16 млрд. т нефти (11 % общемировых), прогнозных – по разным оценкам, от 30 до 40 млрд. т. Основными месторождениями страны являются Меджнун с доказанными запасами около 3 млрд. т нефти, Западная Курна (2,4 млрд. т), Восточный Багдад (1,5 млрд. т) и Киркук (1,4 млрд. т). Доказанные запасы нефти в России составляют примерно 5,5 % мирового – око-ло 8 млрд. тонн, в США – около 4 млрд. тонн (2,2 % общемировых).

 

10.2. Вклад биомассы в мировое производство энергии

Вклад биомассы в 2001 году составлял 1.1–1.2 млрд. тонн нефтяного эквивалента (н. э.) при общем вкладе всех ВИЭ – 1.36 млрд. тонн н. э. при общем производстве энергии в мире – 10 млрд. тонн н. э. [10-1].

К 2040 году общее потребление энергии в мире прогнозируется на уровне 13.5 млрд. тонн н. э. (100 %), вклад всех ВИЭ к этому периоду – 47,7 % или 6.44 млрд. тонн н. э., тогда как вклад биомассы составит 23,8 % или 3.21 млрд. тонн н. э.[10-2].

В последние годы в опубликованных многочисленных глобальных энергетических сценариях была включена устойчивая роль возобновляемой энергетики для энергетической обеспеченности, и вклад биомассы для этих целей может составить: от 59 до 145 х 1018дж к 2025 году и от 94 до 280 х 1018дж к 2050 г.

К 2010 году этот вклад должен был увеличиться до 12 % (25 стран ЕС). В 2000 году мировой рынок биотоплив оценивался в сумме 866 миллионов долл. США. В 2004 году он составил 1.28 млрд долл. И к 2013 году – 2.14 млрд. долл. США.

В развивающихся странах биомасса является главным источником энергии для многих ремесленников и малых производств: хлебопечение, пивоварение, текстильная мануфактура, производства табака, кофе, чая, копченостей, кирпича и т. п. В Азии около 20 % регионов используют дрова в сельскохозяйственном производстве и при переработке сельхозпродуктов. Древесный уголь применяется при производстве железа, стали, цемента и т. д. В Бразилии для тяжелой промышленности требуется ежегодно свыше 6 млн т древесного угля и для получения топлива и энергии эффективно используется багасса. Оценка энергетического потенциала остатков багассы после обеспечения всей энергии, необходимой для сахарного производства и получения этанола, составляет 6 000 МВт. В 1995 г. имелось 12 заводов мощностью 114,8 МВт по производству спирта, использующих багассу.

В Индии программа децентрализации производства энергии, инициированная в 1995 г., обеспечила поддержку проектов по производству энергии мощностью от 10 до 15 МВт в малых сельских общинах. Предусматривалось на период 1970–2000 гг. выполнить проекты установок общей мощностью 500 МВт. Проект включал в себя создание около 1600 систем газификации мощностью 16 МВт главным образом для получения электроэнергии в сельской местности. Для Индии потенциальные возможности использования багассы оцениваются в пределах 2 800…5 100 МВт.

В Китае к 2010 г. планировалось создание станции мощностью 300 МВт по газификации багассы, соломы и опилок.

В США реализуются проекты: 1) государственной электростанции на Гавайях (сжигание багассы в псевдоожиженном слое) мощностью 3…5 МВт и 2) электростанции в штате Вермонт мощностью 45 МВт, работающей на древесной щепе.

Страны Европейского Союза (ЕС) также активно размещают системы газификации биомассы. В 1990 г. их мощность составляла 15 МВт. к 2000 г. пларовалось довести эти мощности до 20…30 МВт, а к 2005 г. до 50…80 МВт.

В ЕС активно совершенствуются энергоконвертирующие системы с учетом их экологической безопасности. В Австрии имеется около 100 местных современных топливных систем мощностью 1 200 МВт. Различные системы газификации и газотурбинных комбинированных циклов мощностью 6 МВт электрических и 9 МВт тепловых созданы и создаются в Швеции (местечко Варнамо). Ежегодное использование биотоплива оценивается в 42 10.15 Дж.

В последние годы вновь повысился интерес к биотопливам, особенно к этиловому спирту. Ведущими странами по его производству и топливному использованию являются Бразилия и США.

Бразильская программа по использованию этанола – наиболее масштабная в мире – начала действовать с 1975 г. В настоящее время

Бразилия ежедневно замещает этанолом до 31800 т импортируемой нефти.

Заметно вырос интерес к биотопливу в США – втором мировом лидере по масштабному производству этанола для нужд автотранспорта. Предусматривается дальнейшая экспансия, так как этанол входит в октановый рынок, и как «чёстое» топливо производится теперь в 21 штате; этанол-бензиновая смесь (газо-хол) составляет 10 % топливного рынка США и используется более чем в 100 млн двигателей. По данным General Energetic Council (GEC) в 2005 г. около 5 млн автомобилей использовали этанол как нефтяное топливо.

Департамент энергетики США планирует получать этанол из биогидролизатов (ферментное расщепление целлюлозы) древесины при стоимости 0,79 долл. за галлон (0,2 долл. за 1 л) в 2005 г. и 0,56 долл. за галлон (0,14 долл. за 1 л) в 2030 г., а также к 2005 г. увеличить его производство методом ферментативного гидролиза до 9 млрд л и к 2030 г. довести его до 85 млрд л.

К другой группе жидких биотоплив, вызывающих коммерческий интерес в США, Канаде и ЕС, относится биодизельное топливо.

Широкомасштабное коммерческое производство биодизельного топлива из рапса уже начато: в Австрии оно составляет 3 % общего рынка дизельного топлива при наличии производственных мощностей до 30 тыс. т/год; во Франции эти мощности составляют до 20 тыс. т/год; в Италии в ближайшие годы планируется создание мощности по производству биодизельного топлива в объеме 60 тыс. т/год.

В США этой проблемой занимается специально созданный национальный биодизельный совет по коммерциализации и индустриализации биодизельного топлива. Планируется на 20 % заменить обычное дизельное топливо биодизельным и использовать его на морских судах, городских автобусах и в малой индустрии.

Несмотря на увеличивающийся интерес к биодизельному топливу, его рынок пока еще ограничен из-за высоких цен и требований к растительным пищевым маслам. Но этот вид топлива может играть важную роль в сельских районах разных стран.[10-3].

 

10.3. Концепция развития биоэнергетики в Украине

Использование ВИЭ в Украине составляет на сегодняшний день 5.6 млн т у.т., что эквивалентно 2.8 % ОППЭ. Из всех ВИЭ доля биомассы является наибольшей после большой гидроэнергетики – около 18 % (табл. 10-1). В 2001 г. из биомассы, в основном древесных отходов, было произведено 29 ПДж тепловой энергии, что составляло 0.5 % ОППЭ. [10-4].

Таблица. 10-1

Вклад различных ВИЭ в производство энергии в Украине (2001 г.)

В Таблице 10-2 представлена структура энергетического потенциала биомассы, основанная на вероятной и оптимистической оценке. Согласно оптимистическому прогнозу, общий потенциал биомассы, доступный для энергетического использования в Украине, составляет 17.6 млн т у.т., вероятный прогноз дает 10.6 млн т у.т. В обоих случаях основную часть потенциала составляют отходы сельского хозяйства (солома, стебли, лузга и т. п.

Биомасса (без доли, используемой другими секторами экономики) может обеспечить 5.3–8.8 % общей потребности Украины в первичной энергии (с учетом различных оценок энергетического потенциала биомассы). Технологии утилизации биомассы находятся в начале своего развития в Украине и имеют хорошие перспективы коммерциализации в ближайшем будущем.[4]. Согласно рабочему варианту "Энергетическая стратегия Украины на период до 2030 г. и дальнейшую перспективу" доля биомассы в ОППЭ составит 3.4 % (2.7 млн т у.т.) в 2010 г., 7.8 % (6.3 млн т у.т.) в 2020 г. и 12.6 % (9.2 млн т у.т.) в 2030 г. (Таблица 10-3).

При разработке концепции развития биоэнергетики в Украине за основу была принята концепция Дании и вероятная оценка энергетического потенциала биомассы в Украине. Обе страны имеют относительно малую территорию, покрытую лесом (около 14 %) и высокоразвитый сельскохозяйственный сектор, что приводит к подобной структуре потенциала биомассы в них.

Для Украины с ее большим потенциалом сельскохозяйственных земель очень перспективным является организация специальных энергетических плантаций быстрого оборота (ива, тополь, мискантус и др.). Привлечение биомассы, специально выращенной на землях, которые сейчас не используются или используются неэффективно в Украине, приведет к повышению доли биомассы в энергетическом балансе страны до 20–25 %. [10-4].

В Украине наиболее перспективными для коммерческого использования в ближайшие годы можно считать следующие технологии:

• промышленные древесносжигающие котлы мощностью 0,1–5 МВт для установки в гослесхозах и на деревообрабатывающих комбинатах;

• древесносжигающие станции централизованного теплоснабжения (ЦТ) мощностью 1-10 МВт;

• соломосжигающие фермерские котлы и котлы для малых теплосетей мощностью 0,1–1 МВт;

• соломосжигающие станции ЦТ мощностью 1-10 МВт;

• биогазовые установки для крупных ферм КРС, свиноферм, птицефабрик и предприятий пищевой промышленности;

• установки добычи и использования биогаза с полигонов ТБО в миниэлектростанциях мощностью 0,5–5 МВт.

Таблица. 10-2

Энергетический потенциал биомассы в Украине (данные 2001 г.)

*) W – массовая влажность

Таблица 10-3

Использование ВИЭ в Украине согласно "Энергетической стратегии Украины на период до 2030 г. и дальнейшую перспективу". [10-4].

Приоритетного развития в Украине требуют технологии прямого сжигания древесины, в первую очередь для производства тепловой энергии. Внедрение миниэлектростанций и мини-ТЭЦ, сжигающих твердую биомассу (древесину, солому, лузгу), будет рентабельным в случае значительного роста цен на электроэнергию или в случае субсидирования. Получение тепловой энергии из биомассы является экономически рентабельным.[10-4].

Технологии сжигания соломы являются очень перспективными для Украины. Широкое распространение этих технологий требует решения ряда вопросов организации сбора, прессования тюков, транспортировки и хранения соломы. Крупные биогазовые установки также играют важную роль в концепции. Их широкое внедрение возможно на свинофермах с поголовьем более 5 тыс., фермах крупного рогатого скота (КРС) с поголовьем более 600 голов, птицефабриках и предприятиях пищевой промышленности. По оценкам экспертов, в Украине может быть сооружено 2903 биогазовых установки со средним объемом метантенка 1000 м3, включая 295 установок на свинофермах, 130 – на птицефабриках и 2478 – на фермах КРС и предприятиях пищевой промышленности.

Использование биогаза с полигонов ТБО является наиболее прибыльным на промышленных предприятиях, расположенных неподалеку от самих полигонов. Производство жидких топлив из биомассы маловероятно в Украине в ближайшее время, так как их себестоимость получается значительно выше стоимости традиционных жидких топлив. То же самое можно сказать о технологиях быстрого пиролиза и газификации биомассы.

В случае реализации предложенной концепции общая установленная мощность будет составлять 9071 МВтт и 415 МВтэ. Это приведет к замещению 6.7 млн т у.т./год и снижению выбросов парниковых газов на 34 млн т/год СО2-эквивалента. Развитие биоэнергетических технологий уменьшит зависимость Украины от импортированных энергоносителей, повысит ее энергетическую безопасность за счет организации энергоснабжения на базе местных возобновляемых ресурсов, создаст значительное количество новых рабочих мест (преимущественно в сельских районах), внесет большой вклад в улучшение экологической ситуации.[4]. В утвержденной Верховной Радой Украины в 1996 г. Национальной энергетической программе Украины на период до 2010 г. предусмотривалось покрытие 10 % потребностей народного хозяйства в энергии за счет нетрадиционных возобновляемых и других источников энергии. В 2000 г. актуальность этого пункта Программы была подтверждена в Рекомендациях парламентских слушаний относительно «Энергетической политики Украины». Если ориентироваться на опыт стран ЕС (где доля биомассы составляет 60 % всех ВИЭ), биомасса может покрывать около 6 % потребностей народного хозяйства Украины в энергии. Этот показатель хорошо стыкуется с данными представленной концепции развития биоэнергетики в Украине. Для решения целого комплекса вопросов, связанных с развитием биоэнергетики в Украине, считаем необходимым создание в ближайшее время Государственной научно-технической программы развития биоэнергетики Украины. [10-4]. Использование энергии биомассы в Украине находится в зачаточном состоянии, хотя условия для ее освоения достаточно благоприятны. Поэтому вполне естественным представляется формирование весной текущего года целевой комплексной программы научных исследований НАН Украины «Биомасса как топливное сырье» («Биотоплива»). Ряд украинских экспертов видят единственно возможный путь использования биомассы для автотранспорта, или использование западного «традиционного» варианта.[10-4].

 

10.4. Передовая украинская технология производства биотоплива из водорослей

Технологии производства биотопливо из микроводорослей выходят на промышленную основу в США, Великобритании, Нидерландах, Украине, Испании и других странах. Замечательно то, что этими инновациями стали активно заниматься крупнейные энергокомпании, такие например, как Chevron.[10-5].

В Европе создана European Algae Biomass Association. При этом для ускорения роста водорослей используется промышленный углекислый газ. За счет этого и других новшеств на Украине процент получения синтетического топлива в фитобиореакторах достиг 70 % против 30 % в других странах, а рентабельность производства достигает 98 %. При этом получаемые биокрекингом высококачественные фракции синтетической нефти (бензин, керосин, дизтопливо) можно использовать в любых двигателях внутреннего сгорания. Получаемое топливо сертифицировано в США. Для фотосинтеза используются светодиодные лампы специального спектра. Технология полностью безотходна и энергетически автономна.[10-6].

Разработанный компанией ООО «БИОДИЗЕЛЬДНЕПР» способ культивирования водорослей позволяет упростить технологию получения биомассы, так как исключает закупку, доставку и предварительную подготовку CO2 и других веществ, необходимых для выращивания водорослей. При минимальных производственных и материальных затратах данных способ культивирования водорослей позволяет с легкостью получить высококачественный синтез-бензин (ГОСТ), синтез-дизель (ГОСТ) или синтез-керосин.[10-7]]. Низкое потребление энергии оборудования обеспечивается благодаря использованию дизельгенератора. Он служит не только источником энергии, но и CO2, NO2 и некоторых других элементов. Дизельгенератор работает на масле из водорослей, растительных маслах, биодизеле, биогазе из водорослей благодаря чему полученный на выходе CO2 является более чистым, а получение его является экономически рентабельным. Этот способ культивирования водорослей позволяет упростить технологию получения биомассы, так как исключает закупку, доставку и предварительную подготовку CO2 и других веществ, необходимых для выращивания водорослей.

Особенностью технологии является параллельное выращивание и переработка в биогаз эйхорнии. При этом в процессе переработке биогаза получается метан, CO2 и биогумус. Эйхорния сбраживается в метатенке, а газ накапливается в газгольдерах.[10-8].

 

10.5. Производство биотоплива из эйхорнии [10-9]

 

Новая технология позволяет путём биокаталитического крекинга получать синтетические нефтепродукты очень высокого качества из биомассы водорослей. Технологический процесс использует только экологически чистые компоненты и, поэтому, полностью исключаются выбросы во внешнюю среду любых опасных и других загрязняющих среду продуктов. Технология основана на культивировании растения Эйхорнии в специально разработанных и предназначенных для этого бассейнах. В отличие от других схем получения биотоплива, данная технология позволяет преобразовывать всю биомассу в высококачественное топливо, которое подтверждено сертификатами качества США и Евразии. В результате быстрого биокаткрекинга биомассы водорослей без доступа кислорода, образуются твёрдые, жидкие и газообразные горючие продукты. Топливо, полученное в результате перегонки биомассы, можно использовать в любых двигателях внутреннего сгорания. Данная технология представляет собой полностью безотходное производство топлива из возобновляемого источника (водорослевой массы). Производство синтетического топлива в замкнутом цикле является одной из наиболее перспективных технологий в альтернативной энергетике. Оборудование отличается своей простотой в эксплуатации, высокой продуктивностью, а так же, благодаря новым технологическим разработкам, обеспечивается высокое качество получаемых продуктов.

 

10.5.1. Китай инвестирует производство биоэтанола в Украине [10–10]

Китайские инвесторы вложат $120 млн. в производство биотоплива. Сумские власти сообщили, что местный спиртзавод в Конотопском районе заинтересовал китайских инвесторов. Инвесторы готовы перепрофилировать спиртзавод на производство биоэтанола. У китайских инвесторов есть целая масштабная программа модернизации спиртовых заводов в Украине с переводом их на производство биоэтанола.

Сейчас в Украине рынок биотоплива ограничен его востребованностью со стороны потребителей. В тоже время, государство планирует стимулировать его развитие и ввести законодательную норму об использовании в нефтяном топливе 10 % биодобавок. Доля присадок из возобновляемых источников энергии в этих топливах составляет более 30 %. Завод в селе Поповка Конотопского района производит 30 тонн спирта ежедневно. Он обеспечивает рабочими местами 70 жителей села. С приходом инвестора завод сможет увеличить объемы производства и создать новые рабочие места. Общее производство биоэтанола в Украине в прошлом году составило около 30 тыс. т. В 2011 году в Украине ряд предприятий начали производство биоэтанола. В частности, возобновил свою работу «Будыльский экспериментальный спиртзавод». Кроме этого, ряд розничных сетей преимущественно на востоке Украины начали реализацию бензинов с биоэтанольными добавками – «Луганскнефтепродукт», ООО «Азовская нефтяная компания».

 

10.6. Развитие биоэнергетики в США

 

Почему США, добывающие собственной нефти столько же сколько РОССИЯ, активно развивают биотопливную промышленность, особенно в интересах пентагона?

 

10.6.1. Рынок нефти в США

США импортируют примерно 55 % общего объема потребления нефти и 45 % добывают самостоятельно. Основными странами экспортерами нефти в США являются Саудовская Аравия – 1,66 млн. баррелей в день, Венесуэла – 1,54, Мексика – 1,42, Нигерия – 86, Ирак – 78, Норвегия -33, Ангола – 32, Великобритания – 31. Таким образом, примерно 30 % импортируемой в США нефти и 15 % от общего объема потребления нефти в США – нефть арабского происхождения. По оценкам экспертов, стратегические запасы нефти в США составляют 658 млн. баррелей. Для сравнения в Японии – 321 млн. баррелей, а в Германии – 191 млн. баррелей.

 

10.6.2. Субсидии на биотопливо в США [10–11]

Субсидии для производства биотоплива были между $ 5,5 млрд. и $ 7,3 млрд. в 2005 году. Эти цифры, как ожидается, значительно возрастут, если нынешняя политика в отношении развития биотоплив сохранится, так как большая часть субсидий на биотопливо связана с эффективностью производства биотоплив, а эффективность растет двузначными темпами.

Считается, что при существующей политике в отрасли биотоплива, в совокупности, получат поддержку на сумму более 92 млрд долларов в течение 2006 – 2012 годах.

США могут полностью прекратить импортировать сырую нефть, перейдя на производство синтетического топлива на основе угля, природного газа и биомассы. К такому выводу пришла исследовательская группа из Принстонского университета, показавшая, что переход на синтезированное топливо станет экономически оправданным уже в ближайшие 30–40 лет.[10–12]

«В США потребление биоэтанола регулируется, в частности, законом о чистом воздухе. А производство поддерживается по-разному: на федеральном уровне – уменьшением на тридцать процентов акцизов на топливо Е10 (с десятипроцентной добавкой этанола), на региональных – субсидиями производителям: пятьдесять центов за литр).» [10–13]

США станут крупнейшим производителем топлива уже в 2013 г. [10–14]

Министерство энергетики США сообщало, что общий объем производства жидких углеводородов и биотоплива в США в 2013 г. должен вырасти до рекордного показателя в 1.45 млн. т в сутки. Аналитики Citibank предсказывают, что к 2020 г. американские нефтяники доведут суточные объемы добычи до 1.78 млн. т, превратив США в "новый Ближний Восток". Однако, в 2013 г. суточная добыча нефти в США сосавила 985 тыс. т. Добыча нефти в США достигла максимального показателя за 20 лет.[10–14].

В мае 2012 г. МЭА опубликовало доклад "Золотые правила золотого века газа", в котором предсказало, что Россия уступит США положение лидера по добыче газа. Согласно прогнозу МЭА, в России в 2035 г. будет добыто 784 млрд куб. м газа, а в США – 821 млрд куб. м. Третьим по значимости производителем газа станет Китай, где добыча голубого топлива в ближайшую четверть века вырастет почти в пять раз.

Одновременно с этим США, по прогнозам МЭА, станут одним из крупнейших экспортеров сжиженного газа. А вот доля России и стран Ближнего Востока в мировой газовой торговле упадет с 45 % в 2010 г. до 35 % в 2035 г. Однако, согласно обновленному прогнозу BP, Россия к 2030 г. все же останется крупнейшим экспортером газа, главным образом за счет увеличения поставок голубого топлива в страны Европы.

 

10.6.3. США. Нефть, газ, уголь

Исследование, проведенное министерством сельского хозяйства США, показало, что, хотя получение этанола из сахарного тростника и сахарной свеклы может быть эффективным, в перспективе ситуация, скорее всего, изменится. При нынешней цене этанола на американском рынке затраты, в 2,5 раза превышающие стоимость его производства из кукурузы, могут быть оправданы. Однако по мере насыщения рынка более конкурентоспособной продукцией цены неизбежно начнут понижаться, а с ними вместе и эффективность использования сахарного сырья. Согласно прогнозу, к началу следующего года стоимость галлона этанола упадет до 2,50 долл. При таких ценах получать этанол из сахара будет нецелесообразно.

У биотоплива в США проблема в перспективе![10–15].

Рис. 10-1. Ресурсы биомассы в США, тысяча тонн/год.[10–16]. Ещё в 19-м веке родоначальник американского автопрома – Генри Форд сконструировал автомашину, мотор которой работал на этаноле. Конструкторы руководствовались отнюдь не заботой об экологии, они считали, что для двигателей внутреннего сгорания технически и экономически выгодней использовать именно спирт (он же – этанол).

Рис. 10-2. Первый автомобиль Г. Форда на этаноле, 1896 г.[10–18].

И только в восьмидесятых годах минувшего века, США вновь вернулись к активному развитию биоэнергетики.

Рис. 10-3. Карта распределения типов биомассы для производства топлива.[10–17].

 

10.6.4. Производство биотоплива – удел избранных

Лидером по производству биотоплива и его наиболее массово производимого вида – биоэтанола, являются США. Это вызвано и необходимостью снижения зависимости американского рынка от цены на нефть и наличием соответствующих ресурсных и финансовых возможностей. Американцы в развитии биотоплива пошли по пути «используй то, что под рукой…», выбрав в качестве сырья для производства этанола кукурузу. По производству этой культуры США более чем в два раза опередили своего ближайшего конкурента – Китай, возведя кукуруза в ранг «царицы полей». Правительств США заинтересовало в изготовлении биотоплива крупных и мелких сельхозпроизводителей, массово увеличивающих посевные площади кукурузы и приобретавших оборудование для её переработки в этанол. Этот интерес американских фермеров к производству спирта вполне объясним, ведь власти щедро инвестировали программу по развитию биотоплива, оказывая помощь производителям в виде субсидий в размере 45–51 центов за галлон топлива. Государственная поддержка производства биотоплива вызвала в США буквально фермерский бум, сделав изготовление спирта чрезвычайно выгодным. И немудрено – ведь из одной тонны кукурузы можно получить не менее 108 литров этанола, за который государство выплатит тебе 55 долларов. В итоге, количество биозаводов в США превысило число нефтеперерабатывающих предприятий, построенных за последние четверть века, а производство биотоплива достигло 45 млрд литров. При этом расходы правительства в виде субсидий и налоговых льгот производителям этанола составили около 6 млрд долларов ежегодно.

Рис. 10-4. Производство биоэтанола по штатам США в млн. галлонах в год.[10–19].

Рис. 10-5. Карта работающих (зелёные точки) и строящихся (жёлтые точки) заводов по производству этанола в США.[10–20].

Рис. 10-6. Диаграмма использования кукурузы в США в разных отрослях.[10–21].

В 2012 г. 125 млн. тонн кукурузы было использовано для производства этанола, а также 38.7 млн. тонн возвращаются на кормовой рынок через глютен и барду.

Рис. 10-7 Карта размещения отходов лесопроизводства по штатам США (доступные отходы распила хвойных пород, хвойных пород, распила лиственных пород, лиственных пород) [10–22].

Рис. 10-8. Карта размещения сельскохозяйственных отходов многолетних трав – просо по штатам США.[10–23].

Рис. 10-9. Объем (т/год) сельскохозяйственных остатков различных зерновых культур в США.[10–24].

Рис. 10–10. Биодизель колонки в США [10–25].

 

10.5. Биодизель из кофейных зерен

Американские химики разработали технологию, которая позволяет получать биотопливо из использованных кофейных зерен. Одной из трудностей для промышленного производства биотоплива является отсутствие дешевого исходного материала, который был бы доступен в большом количестве. В поисках такого материала ученые решили изучить «потенциал» кофе (который является, наверное, самым популярным напитком в США). Кофейные зерна содержат от 10 до 20 процентов масла, то есть, по этому параметру кофе почти не уступает традиционным исходным материалам для производства биотоплива – семенам рапса, кокосовым орехам и соевым бобам.

Удалось разработать технологию, позволившую перерабатывать в биотопливо до 100 процентов масла. Кофейное биотопливо отличалось большей стойкостью по сравнению с аналогами, так как в зернах высоко содержание антиоксидантов. Остающиеся после переработки зерен твердые отходы могут быть использованы, например, в качестве компоста.

По оценкам авторов работы, применение разработанного ими метода только в США может приносить прибыль в размере около восьми миллионов долларов в год. Для проверки того, насколько эти теоретические расчеты соответствуют действительности, ученые намерены открыть маленький завод по переработке зерен.

Ежегодно в мире выращивается около 7,3 миллиарда килограммов кофе, и огромное количество использованных зерен идет на помойку.

Кроме кофе в качестве потенциальных источников топлива ученые пытаются использовать оливковые косточки, лесные отходы и даже виски.[26].

 

10.6.6. Роль Пентагона в развитии биоэнергетического рынка США

Президент США Барак Обама обнародовал инвестиционную программу стоимостью 510 млн. долл. по разработке биотоплива нового поколения для использования торговым и военно-морским флотом и гражданской и военной авиацией. (25.12.2012)

Программа рассчитана на три года. В ней были задействованы три правительственных департамента – сельского хозяйства, энергетики и ВМФ. Каждое ведомство вложило по 170 млн. долл.

Разработки планировались вести в партнерстве с частным сектором. На каждый доллар государственных средств частные компании вложили, как минимум, один доллар своих инвестиций.

Задача состояла в том, чтобы создать такое биотопливо, которое можно использовать, не меняя существующую инфраструктуру хранения, транспортировки и заправки. [10–27].

Интересная информация об использовании биотоплив в Минобороне США опубликована в 2012 г. в обзоре В. Щербакова «Минобороны США повышает эффективность военной машины за счет биотоплива» (2012) [10–28].

«В 2011 году Пентагон опубликовал «Стратегию энергетической безопасности». В марте 2012 года на официальном сайте американского военного ведомства появилась Дорожная карта – уточняющий план обеспечения энергобезопасности Вооруженных сил (ВС) США. Особые надежды возлагаются на Министерство ВМС США. Через четыре года на боевое дежурство намечается отправить авианосную группу, полностью работающую на биотопливе.

В декабре 2011 года министр ВМС и министр сельского хозяйства приняли решение закупить 1700 м3 биотоплива стоимостью 12 миллионов долларов. Это крупнейшая единовременная сделка подобного рода в истории ВС США. Конечно, по сравнению с 4.8 млн. м3 обычного авиационного и корабельного горючего, потребляемого ежегодно американскими ВМС, это ничто. И тем не менее сделан серьезный шаг в направлении повышения энергоэффективности ВС США и развития национального рынка биотоплива.»

«Основная часть законтрактованных Управлением тыла МО США биотоплив была израсходована во время крупного военноморского учения серии RIM-PAC в 2012 г. Биотопливом заправляли боевые корабли самолеты и вертолеты корабельного базирования. Авианосная ударная группа уже получила неофициальное название «зеленая» (Green Strike Group).

Весь объем биотоплива поставили две американские компании. «Дайнэмик Фьюэлс ЭлЭлСи» вырабатывает его из использованного растительного масла и отходов мясной промышленности. «Солазайм» производит биотопливо из водорослей.

При положительных результатах испытаний командование ВМС США продолжит реализацию «зеленой» программы. Тогда в 2016 году корабельная, вероятно, опять авианосная ударная группа, полностью заправленная биотопливом, выйдет на стандартную многомесячную боевую службу. Для этого потребуется 6400 м3 биотопливной смеси для корабельной авиагруппы (смесь биотоплива с «флотским» авиакеросином JP-5) и 12800 м3 смеси для кораблей (со стандартным корабельным топливом НАТО марки F-76).»

«Позеленеть» в среднесрочной перспективе должны ЭМ УРО типа «Арли Берк» (Эскадренные миноносцы типа «Арли Бёрк» (англ. the Arleigh Burke class destroyers) – тип эскадренных миноносцев УРО (с управляемым ракетным оружием) четвёртого поколения.), а в долгосрочной – все потребляющие сегодня нефтепродукты корабли авианосных ударных и амфибийных групп ВМС США. На судах же вспомогательного флота уже к 2015 году планируется довести долю биотоплива до 50 процентов – весьма непростая, как признают американские адмиралы, задача.» [10–28].

Рис. 10–11. Эскадренные миноносцы типа «Арли Бёрк»[10–29].

 

10.6.7. «Нефтезависимость страшна не только экономически»

Решение Министерства ВМС США приступить к активной фазе внедрения биотоплива укладывается в рамки общенациональной стратегической концепции повышения энергоэффективности (Blueprint for a Secure Energy Fu-ture). Дополнительно к 510 млн. долл. США инвестируемых тремя ранее указанными Департаментами Лесная служба США США объявила о решении выдать гранты на 118 миллионов долларов в целях поиска новых видов сырья для выработки биотоплива. Обама дал указание руководителям Министерств сельского хозяйства, энергетики и ВМС совместными усилиями обеспечить создание на территории США производственной цепочки для выпуска различных типов биотоплива, годного к использованию на кораблях и судах, самолетах и вертолетах, а также в наземных боевых машинах в составе двухкомпонентной топливной смеси или самостоятельно.» (Щербаков)

Полный и безоговорочный успех.

Серьезным этапом осуществления биотопливной программы ВМС США является сертификация различных типов и классов Летательных Аппаратов и кораблей (судов) на возможность использования биотоплива.

Это самолеты F/A-18D пилотажной группы ВМС США Blue Angels, самолет РЭБ ЕА-6В «Проулер», конвертоплан МУ-22 «Оспри», учебно-тренировочный самолет Т-45 «Госхок», вертолет MH-60S «Сихок», беспилотный вертолет MQ-8B «Файр Скаут», моторка типа RHIB, катер типа RCB-X, патрульный катер типа YP, десантный катер типа LCU и др.

Все испытания прошли успешно. Так, например, палубный тактический истребитель F/A-18E «Супер Хорнет» (обозначенный как «Грин Хорнет») развил в ходе 45-минутного испытательного полета скорость М=1,2, используя 50/50 смесь биотоплива из растения камелина (рыжик) и авиакеросина JP-5. Испытание проводилось на Атлантическом испытательном полигоне в присутствии нескольких сотен специалистов и приглашенных чиновников и экспертов, включая министра ВМС Рэя Мэбьюса.

Важность данного испытания обусловлена тем, что F/A-18E/F является в настоящее время основным самолетом тактической авиации ВМС и КМП США и останется таковым и на среднесрочную перспективу. Залив в баки «Супер Хорнетов» биотопливо, ВМС и КМП рассчитывают сэкономить существенные бюджетные средства, расходуемые на обеспечение ГСМ. Кроме того, это первая программа сертификации биотоплива для сверх-звуковых самолетов. После ее успешного завершения флот сможет перейти на изучение возможности использования биотоплива и на других типах ЛА авиации ВМС и КМП.

Во время ночного 17-часового перехода морем из Сан-Диего в Порт-Хьюнеме на корабле EDD 964 использовалась 50/50 смесь биотоплива на основе водорослей и топлива марки F-76. В ходе эксперимента были задействованы один ГТД LM 2500 и два ГТГ 501-K17. На них ушло около 75.7 м3 топливной смеси. В итоге последний из эсминцев УРО типа «Спрюэнс», бывший «Пол Фостер», стал самым крупным на сегодня кораблем, приводившимся в движение биотопливом. Кроме того, это было первое испытание на биотопливе в море ГТД LM 2500, стоящего на многих НК. Испытания признаны полностью успешными. На испытании десантного катера на воздушной подушке типа LCAC был достигнут абсолютный рекорд скорости для надводных кораблей ВМС США, заправленных альтернативным топливом. 50 узлов против предыдущего рекорда 44,5 узла принадлежал катеру типа RCB-X. Одна из целей данного испытания – сопоставить возможности ГЭУ катера при работе на обычном топливе и на смеси биотоплива с дизельным топливом марки F76. Сравнительный анализ показал, что увеличение мощности ГЭУ и ее устойчивая работа при использовании смеси на биотопливе не хуже, чем при использовании обычного топлива.

Испытание ДКАВП типа LCAC стало последним в серии сертификационных испытаний, проводившихся ВМС в рамках подготовки к комплексному учению «зеленой» ударной группы. Все испытания, на которые только в рамках бюджета на 2011 финансовый год было выделено более 10 миллионов долларов, прошли успешно. Теперь Пентагон с нетерпением ожидает результатов летнего учения. Это позволит продолжить реализацию глобального плана снижения зависимости американской военной машины от импорта нефтепродуктов.»[10–28].

 

10.6.8. Нужен океан водорослей

Пока самая главная проблема при переходе на альтернативные источники энергии – экономическая неоправданность использования биотоплива в ВМС США в нынешних объемах. Так, стоимость прошлогоднего контракта на закупку 450 тысяч галлонов биотоплива – 12 миллионов долларов (около 26,7 доллара за галлон). Почти в пять раз больше стоимости обычного горючего, закупаемого сегодня флотом. И это притом что в данном контракте цена за галлон биотоплива в два раза меньше той, по которой флот закупал его для испытаний в 2009 году.

Один лишь способ снизить цену – заказывать больше биотоплива. «Мы считаем, это единственный путь избавить военных от потенциальной угрозы зависимости от цены на нефть – будь она 150 или 300 долларов за баррель», – заявил весной 2011 года контрадмирал Филип Каллом. Под такое важное для страны дело, отметил Каллом, конгресс даже согласился разрешить Управлению тыла Минобороны США заключать на поставки биотоплива контракты сроком на десять, а не на пять лет, как это разрешено сегодня.

Еще одна проблема связана с выбором для кораблей биотоплива на основе водорослей. Они могут обеспечить производство от 2000 до 5000 галлонов топлива с одного акра площади произрастания в год. Для сравнения: при использовании в процессе получения биотоплива из соевых культур данный показатель равен 50 галлонам, а в случае с пальмовым маслом – 600 галлонам. Водоросли альгае привлекательны и тем, что могут выращиваться вне земель сельхозназначения, а часть из них может расти в морской воде.

Но как произвести биотопливо из альгае в нужных объемах? Даже если посадить альгае в пустыне, туда придется доставлять воду для полива (соленую или сточную) и обеспечивать необходимый температурный режим для произрастания водорослей. Это потребует энергии и финансовых расходов, которые неизбежно будут заложены в стоимость биотоплива.

Выход найден недавно. Предлагается использовать для выращивания альгае систему OMEGA[10–30].

Рис. 10–12. Схема выращивания водорослей по системе OMEGA

Она предусматривает размещение особых модулей, «садков», с водорослями в прибрежных районах и «питание» их сточными водами. В феврале 2011 года НАСА и Министерство ВМС США подписали меморандум о взаимопонимании, предусматривающий сотрудничество в совместной отработке вопросов производства биотоплива на основе водорослей. НАСА вошло в проект не случайно – специалисты агентства подсчитали, что для дальнейшего освоения космоса перспективные космические корабли необходимо будет «питать» альтернативным топливом. Биотопливо из альгае является одним из наиболее привлекательных вариантов.

 

10.6.9. Счета могут быть не оплачены

На одном из агитационных плакатов ВМС США времен Второй мировой войны командующий ВМС адмирал Эрнест Кинг призывал: «Исполняй свои обязанности, нефть – это боеприпасы» (Stick to your job – oil is ammunition).

Порядка 70 процентов всех нефтепродуктов, необходимых МО США, поступает из-за рубежа. Налицо явная зависимость американской военной машины от импорта нефти. Любые серьезные перебои с ее поставками могут оставить без «крови» эту самую машину и станут смертельно опасной угрозой для Вашингтона.

Неудивительно, что Министерство ВМС США настроено в отношении биотоплива очень решительно. Даже несмотря на то, что авторы недавно опубликованного аналитического отчета корпорации «РЭНД» подвергли определенной критике способы повышения энергоэффективности. Остается подождать лета и результатов выхода в море «зеленой» авианосной ударной группы, но в целом выхода у ВМС просто нет. [10–31].

 

10.6.10. Пентагон не поскупился на покупку биотоплива [10–32]

Министерство обороны США заключило с компанией Dyna-mic Fuels контракт на поставку 1,7 миллиона литров биотоплива. Как сообщает Defense News, это крупнейшая на данный момент покупка такого вида горючего военными. Сумма сделки составила 12 миллионов долларов, или около 26 долларов за галлон, что в пять раз дороже обычного топлива.

^оль крупная покупка альтернативного топлива позволит Соединенным Штатам снизить зависимость от импорта нефти и дать ощутимый толчок развитию внутреннего рынка биотоплива. Купленное биотопливо будет использоваться для заправки одной из авианосных групп ВМС США. На биотопливо планируется перевести и часть боевых самолетов военно-морских сил.

В настоящее время программа ВМС предусматривает перевод всех кораблей на биотопливо к 2017 году. Эта инициатива в Пентагоне получила название "Великого зеленого флота" (Great Green Fleet). Кроме того, согласно планам руководства ВМС США, доля альтернативного горючего в общем объеме потребления топлива военноморскими силами должна быть увеличена до 50 процентов к 2020 году.

В июле 2011 года министерство обороны США объявило, что оно будет закупать биотопливо в больших количествах, но только в том случае, если цены на него снизятся. На тот момент средняя стоимость одного галлона альтернативного топлива составляла 40–50 долларов. По данным Пентагона, использование биотоплива позволит значительно снизить расходы на покупку горючего.

Между тем, ВВС США, как крупнейший военный потребитель топлива, также рассматривают возможность снижения зависимости от традиционных видов горючего. В 2010 году на долю ВВС пришлось 54 процента от общего объема потребления топлива вооруженными силами США; военные за год потратили на покупку топлива восемь миллиардов долларов. Ежегодно военновоздушные силы "сжигают" в среднем 9.5 млн. м3 топлива.

 

10.6.11. Биотопливо и автотранспорт Минобороны США

Переход военного автотранспорта на биотопливо осуществляется в рамках распоряжения президента США обеспечить сокращение на 28 % выбросов парниковых газов (двуокиси углерода) к 2020 г. и приказа министра ВМС сократить на 50 % потребление флотом нефтяного топлива до 2015 г. Многотопливные автомобили обычно используют Е85 – альтернативное топливо, состоящее из смеси 85 % бензина и 15 % биоэтанола. Ожидается, что помимо экологического эффекта широкое использование этанола позволит снизить зависимость удаленных от США Гавайских островов от импортной нефти. Заправочная станция емкостью 37850 литров для объединенной базы Перл Хабор-Хикем была разработана в сентябре 2010 г. представительством корпорации Innovative Technical Solu-tions, Inc. (ITSI) в Гонолулу, и построена летом 2011 г. Стоимость контракта составила $315 тыс. Станция запущена в эксплуатацию в марте 2012 г.

На объединенной военно-морской и военно-воздушной базе Перл Хабор-Хи-кем (Joint Base Pearl Harbor-Hickam, JBPHH) на Гавайях официально открыли первую из трех биотопливных заправочных станций флота для заправки многотопливных автомобилей биоэтанолом Е85.[10–33].

Переход военного автотранспорта на биотопливо осуществляется в рамках распоряжения президента США обеспечить сокращение на 28 % выбросов парниковых газов (двуокиси углерода) к 2020 г. и приказа министра ВМС Рэя Мабуса сократить на 50 % потребление флотом нефтяного топлива до 2015 г.

 

10.6.12. Истребители F-16 проверят биотопливом [10–34]

В 2012 г. в США приступили к испытаниям двух истребителей F-16 Figh-ting Falcon на способность выполнять полеты на биотопливе: смесь авиационного топлива JP-8 и биотоплива из рыжика. ВВС США планируют существенно заменить нефтепродукты на биотопливо.

Испытание истребителей F-16 преследует две цели: сертифицировать самолет для выполнения полетов на биотопливе или на смеси обычного горючего и растительного и, что для использования биотоплива не потребуется значительная переделка топливной системы F-16 и доработка двигателей. В рамках программы по сокращению потребления нефтепродуктов ВВС, в частности, намерены к 2016 году сократить потребление обычного авиагорючего в два раза, увеличив потребление биотоплива. Такая мера позволит наносить меньше вреда экологии и существенно экономить на расходах на топливо.

В рамках программы по переходу на биотопливо сертификацию уже прошли штурмовик A-10 Thunderbolt II, истребитель F/A-18 Super Hornet, многоцелевой вертолет MH-60S Seahawk и транспортник C-17 Globemaster III. В марте 2011 года прошли испытания истребителей F-22 на биотопливе.

ВМС США объявили об успешных испытаниях нового топлива, состоящего из смеси нефтяного дизельного горючего и биотоплива из водорослей.[10–35].

Фрегат USS Ford, заправленный 94,6 тысячами литров нового топлива, вышел из порта базирования в г. Эверетт, штат Вашингтон, и его турбины без проблем «переварили» новое горючее.

Смесевое топливо на основе водорослей разработано компанией Solazyme и является частью усилий Пентагона по снижению зависимости от импорта углеводородов.

Для заправки фрегата применили топливо HRD-76, на 100 % полученное из водорослей, смешанное с нефтяным горючим F-76, которое используется в ВМС США. Использование смеси в пропорции 50/50 не требует изменений в причальной инфраструктуре и оборудовании фрегата, в частности, в его турбинах LM2500. При этом эксплуатационные характеристики топливной системы и газотурбинных двигателей остаются теми же, что и при использовании традиционного топлива F-76.

Рис. 10–13. Фрегат USS Ford впервые вышел в море на смеси топлива из нефти и водорослей

Пентагон надеется, что топливо из водорослей обеспечит флот топливными ресурсами без необходимости занимать биотопливными культурами сельскохозяйственную землю, пригодную для производства продуктов питания.

ВМС США уже используют различные виды биотоплива на своих судах и заключают все более крупные контракты на поставку нового типа горючего. Только компания Solazyme недавно завершила поставку более 500 тыс. литров биотоплива, в том числе и микробного происхождения. Компания Dynamic Fuels заключила с ВМС контракт на поставку 1,7 млн литров возобновляемого топлива.

Таким образом, после завершения всех испытаний биотоплива на соответствие военным спецификациям, начались регулярные поставки горючего из возобновляемых источников.

ВМС США испытывает смеси горючего для своих самолетов с 50 % содержанием биотоплива. Если испытания пройдут успешно, то все самолеты армии США будут переводиться на эту смесь. Эти испытания закончились в июня 2012 года. [10–36].

 

10.6.13. США будет производить биотопливо для авиации и флота [10–37]

ВМС США провели первые летные испытания многоцелевого вертолета Sikorsky MH-60S Seahawk на смеси обычного и биотоплива, сообщает Defense Aerosapce.

Рис. 10–14. Вертолет Sikorsky MH-60S Seahawk на смеси обычного и биотоплива.

Испытания проводились на базе ВМС США Патаксент-Ривер. Подробности о ходе полета машины не приводятся, однако ВМС признали первый полет Seahawk на биотопливе успешным. В баки Seahawk была добавлена смесь из обычного и биотоплива в пропорции один к одному. Биотопливо было получено из семян рыжика, растения семейства капустных, не используемого в пищу. По словам руководителя рабочей группы ВМС по вопросам энергоносителей контр-адмирала Филипа Калома (Philip Cullom), преимущество изготовления биотоплива из рыжика заключается в том, что это растение неприхотливо и его можно выращивать в промышленных масштабах с минимальными затратами. В конце апреля 2010 года ВМС США провели летные испытания истребителя Boeing F/A-18 Super Hornet, заправленного новой топливной смесью. Самолет совершил полет со скоростью 1,2 Маха (1380 километров в час). В общей сложности полет, в ходе которого был использован и форсаж, продлился 45 минут. Испытания были признаны успешными. В октябре 2009 года министр ВМС США Рэй Мабус (Ray Mabus) объявил, что до 2020 года доля неископаемого топлива, используемого военно-морскими силами, должна составлять не менее 50 процентов от общего объема потребления горючего. Согласно планам командования ВМС США, к 2012 году необходимо завершить испытания нового биотоплива и одобрить его использование всеми летательными аппаратами и кораблями военно-морских сил. Следует отметить, что аналогичные испытания проводят и ВВС США, которые используют более сложную топливную смесь – она на 50 процентов состоит из обычного авиакеросина, на 25 процентов – из топлива, полученного путем переработки говяжьего жира, и на 25 процентов – из биотоплива, полученного из переработанного угля. Полеты на такой смеси топлива уже осуществили несколько самолетов, включая военно-транспортный Boeing C-17 Globemaster III. В настоящее время ВВС США занимаются реализацией программы по переводу всех самолетов на новый вид топлива, что позволит военным экономить значительные средства на покупке керосина. ВВС рассчитывают перевести все свои самолеты на биотопливо к 2016 году.[38].

Американские ВВС к 2013 году сертифицируют более сорока моделей, самолетов, стоящих на вооружении, к использованию топлива на основе отходов нефтепереработки и добытых из растений. Об этом заявил помощник заместителя командующего ВВС США Кевин Гейсс. Армия намерена к 2025 году перевести 25 % своей техники на возобновляемые виды топлива. ВМФ хочет довести эту цифру до 50 % к 2020 году, пишет Bloomberg.

При этом американские военные отмечают, что сама привязка военной техники к горючим видам топлива создает значительные проблемы. В частности, такое мнение высказывает командующий ВМФ США Раймонд Мэбус.

Что касается цены на такого рода альтернативное топливо, то Пентагон намерен добиваться его конкурентоспособности по цене с традиционным. Сейчас закупки топлива обходятся американским военным в 8 млрд долларов год. Эксперты говорят, что есть другой вариант снижения стоимости новых видов топлива – создавать большие хранилища и покупать его большими партиями. Армию США устроит биотопливо по цене 3–4 доллара за галлон вместо текущих 10 долларов.

Темы: США, Армии иностранных государств, Нефтегазовый сектор экономики в мире, Министерство обороны США (Пентагон)

Глава 10.6.14. ученые США обнаружили микроводоросль, которая “дала начало” всем современным земным запасам нефти и угля. Исследователи уверены, что она одна стала причиной накопления этих природных ресурсов. [10–39].

Команда исследователей из Университета Кентукки нашла микроводоросль Botryococcus braunii, которая стала основой всех запасов нефти и угля в мире. В настоящее время ученые работают над генетической модификацией этого микроорганизма, который может стать уникальным источником топлива и решить энергетические проблемы Земли.

На фото видно, как сквозь колонию Botryococcus braunii просачиваются произведенные водорослями капли нефти.

Рис. 10–15. Водоросль Botryococcus braunii

“Еще более захватывающим фактом является то, что эта уникальная водоросль существует до сих пор и может быть целью исследований для крупной химической и нефтехимической промышленности”.

Несмотря на проделанную громадную “работу” по созданию современных нефтяных и угольных запасов, Botryococcus braunii растет очень медленно, поэтому в своем естественном виде не очень пригодна в качестве источника для биотоплива. Однако ученые могут использовать гены Botryococcus braunii для создания альтернативных микроорганизмов, которые будут способны к эффективному и быстрому биосинтезу углеводородов.

Использование генов Botryococcus braunii имеет огромные преимущества, так как этот микроорганизм имеет уникальный молекулярный механизм для производства углеводородного сырья. Подобных качеств не имеет ни одна известная бактерия, что, собственно, и доказано огромными запасами нефти и угля, которые сотни миллионов лет назад начала создавать Botryococcus braunii. Перенос уникальных генов водоросли в быстрорастущий неприхотливый организм позволит создавать дешевые и высокоэффективные биореакторы, производящие топливо.

Президент США Барак Обама сообщил о намерении правительства США развивать производство транспортного биотоплива из водорослей. По словам президента, на программу развития отрасли планируется выделить $14 млн. долларов. В США планируют стимулировать отрасль производства биотоплива из водорослей [10–40].

В соответствии с данными Департамента энергетики США, биотопливо для транспорта на основе водорослей способно заместить более 17 % импорта нефти. Более того, водоросли для производства экологически чистого топлива могут выращиваться в прудах, находящихся возле крупных промышленных объектов, где они могут поглощать часть углеродных выбросов, а также усваивать азот и фосфор, которые накапливаются в сточных водах.

Департамент энергетики США планирует рассматривать предложения от представителей малого бизнеса, специализированных университетов и лабораторий по улучшению существующей инфраструктуры и проведения долгосрочных исследований в сфере применения водорослей, которые способствуют реализации проекта производства биотоплива и повышению его конкурентоспособности на рынке.

Основными сферами, входящими в рамки проекта, являются развитие новых методов переработки водорослей, а также поиски способов оптимизации их выращивания, которые позволят наладить производство коммерчески выгодной продукции.[10–41].

This report finds that subsidies to biofuels were between $5.5 billion and $7.3 billion in 2005. Государственные Субсидии США на производство биотоплива составляли более $ 7,3 млрд. в 2005 году… Эти цифры, как ожидалось, должны были значительно вырасти, если нынешняя политика поддержки государством не изменится. Прогнозировалось, что на долю биотопливо будет приходиться менее 5 процентов от общего потребления топлива для транспорта в 2010 году. Эксперты США полагают, что при существующей политике в отрасли биотоплив, в совокупности, получает поддержку на сумму более 92 млрд долларов в течение 2006 – 2012 годах срок.

 

10.6.15. В США создают новую технологию получения биотоплива. [10–42]

В США ведётся разработка новой технологии получения биологического горючего. На этот раз планируется вырабатывать его из морских водорослей. Министерство энергетики уже предоставило разработчикам финансирование в размере 15 млн долларов.

Рис. 10–16. Выращивание водорослей в цилиндрических биореакторах.

Сообщается, что водоросли, в течение года могут обеспечить до 50 млн тонн сырья для переработки в биотопливо. Органическое масло из водорослей отлично подходит для получения горючего, путём перегонки. Правда, пока технология ещё не доведена до промышленного использования. Этому мешает ряд проблем. Необходимо улучшить методы термохимического сжижения, увеличить срок службы катализаторов биологической массы, повысить стабильность процесса. Кроме того, используемые для переработки водорослей в масло сольвенты очень вредны и сильно загрязняют окружающую среду.

 

10.6.16. Биотопливо и железнодорожный транспорт в США [10–43]

Рис. 10–17. 6 Марта 2012 Новейшие скоростные поезда на биотопливе избавят американцев от пробок, а атмосферу – от вредных выхлопов!

В марте 2012 г. рекордный пробег на 456 км от Чикаго до Детройта совершил суперсовременный пассажирский поезд, заправляемый альтернативным видом топлива – биодизелем, получаемым в процессе химической переработки растительных и животных жиров. Со средней скоростью в 192 км/час состав преодолел нужное расстояние за два часа 40 минут, сделав лишь одну 10-минутную остановку для посадки новых пассажиров. Введение в эксплуатацию этого поезда – часть масштабной модернизации железных дорог в США. Главные ее цели – разгрузка автомагистралей от пробок, экономия нефти и уменьшение вреда для экологии. Сейчас, например, чикагская железнодорожная система пассажирских поездов, охватывающая десятки городов в радиусе 200 км, в год перевозит в среднем 195 млн. человек. Эксперты предполагают, что после модернизации всей железнодорожной сети США число пассажиров таких скоростных поездов, как «Пуля», увеличится вдвое. Что из этого следует: очевидно, люди, которым приходится ездить на большие расстояния, оставят личные авто и пересядут на такие поезда. А это, в свою очередь, снизит потребность сотен тыс. американцев в бензине. Модернизация железнодорожных путей протяженностью в сотни км, которые ведут к городам северной окраины штата Иллинойс и примыкающим к ним городам штата Висконсин, заканчивается уже сегодня. На очереди – перестройка железнодорожной сети Калифорнии. Там вскоре начнут курсировать скоростные составы. Также удастся избежать выбросов в атмосферу сотен тонн углекислого газа. На реконструкцию калифорнийской железной дороги Белый дом выделил 2,7 млрд. долларов.

Американские власти планируют потратить за три года 510 миллионов долларов на поддержку заводов, выпускающих биотопливо. Горючее планируется использовать на коммерческом, сельскохозяйственном и военном транспорте, пишет Detroit Free Press.

США намерены помогать реконструировать предприятия, производящие биотопливо, а также развивать инфраструктуру возле таких заводов. Кроме того, американский департамент сельского хозяйства готов участвовать в выведении сортов зерновых, которые будут наиболее пригодны для производства горючего.

Как сообщалось ранее, американское правительство выделит 175 миллионов долларов на 40 проектов по разработке технологий, позволяющих снизить потребление топлива автомобилями. Почти треть выделенных средств будет направлено на проекты по разработке и усовершенствованию электрических батарей, 20 процентов – на создание нового вида топлива, 12,5 процента – на изготовление легковесных материалов.

Такие меры станут частью госпрограммы по сокращению импорта нефти в США к 2025 году на одну треть. Для этого к 2016 году средний расход топлива планируется снизить до 6,6 литра на 100 километров, а к 2025-му – до 4,3 литра. Кроме того, в ближийшие десять лет правительство США направит 3,9 миллиарда долларов на популяризацию электрокаров среди населения.

 

10.7. Субсидии на биотопливо в отдельных странах ОЭСР

Организация экономического сотрудничества и развития) 34 государства. На долю государств-членов ОЭСР приходится около 60 % мирового ВВП.

В настоящем докладе содержится обзор и анализ субсидий на биотопливо в Австралии, Канады, Европейского Союза, Швейцарии и Соединенных Штатов. Она обеспечивает первое всестороннее исследование политики поддержки в странах, которые составляют более 95 процентов производства биотоплива в регионе ОЭСР.

Государства-члены ОЭСР Государства, заинтересованные во вступлении Государства, вовлеченные в сотрудничество.[10–44].

Biofuel Subsidies in Switzerland Глава 10. 8. Европейский Союз. [10-104].

В 2012 году Евросоюз вводит торговлю квотами на парниковые газы, согласно которой перевозчикам придется платить за процент выбросов. Для начала плата составит 16 евро/т (равняется 2–3% стоимости 1 т керосина).

Рис. 10–18. Государства-члены ОЭСР.

Уже к 2050 году 1 т выбросов будет стоить как 1 т керосина. При использовании биотоплива выделяется меньше CO2, к тому же, его использование освобождает от платы за выбросы. В частности, Lufthansa собирается только за время эксперимента сократить выбросы на 1 500 т.[45].

12 декабря 2012 года страны-члены ЕС в Брюсселе одобрили новую политику Европейского союза в области изменения климата на период после 2012 года, когда истекает срок Киотского протокола. Климатическая политика ЕС предусматривает меры по снижению совокупных выбросов парниковых газов в странах Евросоюза на 20 % к 2020 году по сравнению с уровнем 1990 года.

Разработанный пакет мер, называемый иначе как «20-20-20», также включает в себя задачи по повышению на 20 % от базового года эффективности использования энергоресурсов, расширению до 20 % доли возобновляемых источников энергии, а также на 10 % доли биотоплива в структуре энергопотребления.

 

10.8. Европейская политика биотоплива

 

10.8.1. Европейская политика биотоплива

The general EU policy objectives considered most relevant to the design of energy Общие цели политики ЕС, имеющие самое непосредственное отношение к дизайну энергии являются:

(1) конкурентоспособность экономики ЕС,

(2) энергетическая policy are: (1) competitiveness of the EU economy, (2) security of energy supply, and (3) безопасность,

и (3) environmental protection. охраны окружающей среды. All renewable energy policies should be measured by the

Текущую политику ЕС в отношении contributions they make to these goals. альтернативных видов моторного топлива сосредоточить на продвижение биотоплива. [10–46].In a proposed biofuels directive the introduction of a Европейский Союз, развивая и углубляя программу «БИОТОПЛИВА», принял решение о значительном расширении сельскохозяйственных земель под выращивание сырья PARIS: для увеличения производства Биотоплив, предназначенных для частичной компенсации уменьшающихся запасов и нехватки нефти и для замены ископаемых топлив с целью сокращения выбросов парниковых газов.

Европейский Союз прогнозирует довести к 2020 году вклад биотоплив до 10 % от общего объема моторных топлив против 1,6 процента в 2010 году.

ЕС производит два основных вида биотоплива: биоэтанол, который называют "biopetrol" и который зарезервирован для бензиновых двигателей, а также bio-diesels, используемый в дизельных двигателях.

Биодизель гораздо более широко чем этанол используется в Европе: 80 % против 20 %.

Но в будущем планируется изменить это соотношение с появлением автомобилей, оснащенных двигателями на "бигорючем» или «гибкими» двигателями, которые будут использовать максимум 85 % этанола и только 15 % бензина. Biodiesels, known also by the scientific name EMHV (methylic ester of vegetable oil), or diester, are extracted from colza, sun flower oil, soya and palm oils, and mixed with diesel fuels. Биодизель, известный также по научному названию EMHV (метиловый эфира растительного масла), или диэфиром, извлекается из рапса, подсолнечного масла, соевого и пальмового масел, и смешивают с дизельным топливом.

Запланированные мероприятия ЕС в значительной степени являются результатом. спроса со стороны азиатских гигантов, Китая и Индии.

 

10.8.2. В ЕС повышаются объёмы импорта биодизеля [10–47]

Эксперты рынка Европейского союза отмечают, что в 2011 году в ЕС произошло значительное увеличение объёмов импорта биодизеля.

Согласно оценкам аналитиков, в 2011 году, по сравнению с предыдущим годом, поставки моторного биотоплива выросли на 21 % до 2,52 млн т. Около 1,4 млн. т. импортировано из Аргентины и 830 тыс. т. – из Индонезии и Сингапура. В 2010 году в страны ЕС было импортировано 1,1 млн. т. аргентинской и 516 тыс. т. индонезийской и сингапурской продукции. Основным потребителем импортного биотоплива являлись Италия и Испания.

В 2011 году в Европейском Союзе произошло снижение производства биодизельного топлива почти на 5 % – до 9,07 млн. т. Производители биодизеля в ЕС обеспокоены низкой загруженностью существующих мощностей по выпуску биодизеля. Испанские и итальянские производители выступают на принятие своими правительствами мер по ограничению импорта.

Европейский союз (ЕС) на сегодняшний день крупнейший производитель биодизеля и составляет 82 % от производства биотоплива [10–48].. Производство биодизеля в 2003 году в ЕС-25 было 1504000 тонн из девяти стран (табл.10-4). Германия произвела около 715 000 тонн в 2003 году, Франция производила 357 000 тонн, а Италии производится 273 000 тонн..

Производство биодизеля использует около 1,4 млн. гектаров (га) пахотных земель в ЕС. The

Наиболее важный производитель биодизеля Германия (около 40 % продукции. В ЕС имеется около 40 заводов. В ЕС количество заводов и объемы производства растут довольно быстро. Заводы расположены в основном в Германии, Италии, Австрии, Чешская Республика, Франция и Швеция.

Таблица.10-4

Производство биодизеля в ЕС

Чистое использование биодизельного топлива преобладает в Германии. Производственная мощность в год выросла с 90000 до 1060000 тонн в 2004 году, а продажи достигли 1000000 тонн, что делает Германию крупнейшим производителем биодизеля в Европе. В январе 2004 года было 1800 автобиодизельных заправочных станций. Во Франции производство биодизеля началось в 1992 году. В 2004 году производство составляло 520 000 тонн, что делает Францию второй по величине производитель биодизеля в Европе. В отличие от Германии, во Франции биодизель продается исключительно в виде смеси от 5 % до 30 % биодизеля с ископаемым дизельным топливом… Строительство крупнейшего биодизельного завода в Европе будет завершено в начале 2005 года в Teesside и второго завода в 2006 году мощностью 250 000 тонн биодизеля в год с использованием возобновляемого растительного масла: рапса, пальмового и соевого в качестве сырьевых материалов.[10–48].

Госполитика стала катализатором бурного развития производства биодизеля в ЕС, когда с 2000 по 2007 годы мощности по производству данной продукции увеличились с 3 до 25 млн. тонн. Однако именно изменение госполитики привело к тому, что уже к концу 2008 года производственные мощности в 15 млн. тонн оказались незагруженными. Часть европейских биодизельных предприятий была демонтирована и продана (в основном, в Северную Америку). [49]. ЕС расширило географию поставок биодизеля из различных стран. Так в 2013 г. ожидается увеличение импорта биодизеля на 300 млн литров в год из Перу, Пакистана и Гватемалы. Также возможно увеличение объема поставок этого вида моторного топлива из Бразилии.

 

10.8.3. Налоговый климат

Борьба с глобальным потеплением, основным виновником которого объявлены выбросы углекислого газа от сжигания углеводородного горючего, в последние годы стала играть важнейшую роль в политике Европейского Союза. Вопросы регулирования энергетической отрасли, промышленности, регионального рынка энергоносителей рассматриваются, прежде всего, через призму климатических факторов.[50].

Европейская энергетика, да и экономика в целом, разворачиваются в сторону приоритетного использования возобновляемых видов энергии и снижения потребления углеводородного ископаемого топлива. Причем скорость этих изменений не слишком устраивает Европейскую комиссию. В частности, до последнего времени в деле стимулирования перехода к "новой" энергетике не был задействован такой мощный инструмент, как налоговая политика. Однако в середине апреля 2011 г. Еврокомиссия сделала первую попытку движения в этом направлении, опубликовав свой проект введения энергетического налога, вернее, двух налогов.

В соответствии с этим проектом, всем странам ЕС к 2023 г. предлагается ввести, во-первых, налог на выбросы углекислого газа, образующегося при сжигании автомобильного горючего и топлива, используемого для отопления, и, во-вторых, налог на содержание энергии в моторном и отопительном топливе, который должен заменить современные налоги и акцизы, взимаемые с физических объемов энергоносителей.

Сама система выглядит следующим образом. Еврокомиссия предложила с 1.01.13 г. облагать налогом, размер которого первоначально определен на уровне не ниже EUR20 за 1 т CO2, все виды экономической деятельности, приводящие к сжиганию ископаемого топлива, за исключением тех, что уже покрываются системой торговли выбросами (Emissions Trade System, ETS).

Это означает, что налог не будет распространяться на электростанции и крупные промышленные предприятия, которые должны платить за выбросы углекислого газа сверх определенных для них минимумов и квот. Его плательщиками будут домохозяйства и компании непромышленного сектора, использующие ископаемое топливо для отопления либо для перевозок. Нефть и газ, используемые как сырье в технологических процессах (например, в химической промышленности), этим налогом облагаться не будут. Кроме того, не распространяется налог и на биотопливо, хотя при его сжигании, в принципе, также образуется углекислый газ.

Новый налог на выбросы углекислого газа будет дополнять ETS, которая в настоящее время покрывает около 50 % выбросов CO2, производимого европейскими странами. Ставку налога предлагается периодически пересматривать, чтобы она примерно соответствовала стоимости прав на выбросы углекислого газа, которая в настоящее время определяется посредством торгов на открытом рынке. В начале 2011 г. ее уровень составлял EUR14-17 за 1 т.

Европейские специалисты отмечают, что нынешняя система торговли правами на выбросы весьма несовершенна. Большинство крупных европейских электростанций и промышленных предприятий, на долю которых приходится значительная доля эмиссии парниковых газов, имеют в настоящее время высокие бесплатные квоты на выбросы и яростно сопротивляются попыткам заставить их покупать дополнительные права.

Еврокомиссия одновременно с введением налога на выбросы предлагает ужесточить правила ETS, чтобы заставить промышленников энергичнее снижать объемы эмиссии углекислого газа. Так, к 2020 г. планируется отменить систему налоговых кредитов, которыми могли пользоваться компании, устанавливающие оборудование для сокращения эмиссии, а в дальнейшем постепенно отойти от предоставления крупным компаниям различных льгот.

Кроме того, к 2023 г. налог на выбросы должен распространяться и на электроэнергетику, которая пока может "безнаказанно" сжигать ископаемое топливо. К этому же времени должны быть отменены все льготы и исключения для природного и сжиженного нефтяного газа. Страны-члены будут иметь право освобождать из-под действия налога на выбросы только домохозяйства и неприбыльные благотворительные организации. Также они могут устанавливать национальную ставку налога выше указанного минимального уровня.

Налог на моторное и отопительное топливо предполагает установление сборов исходя из энергетической ценности сжигаемого горючего. Минимальный уровень налога для моторного топлива предлагается установить к 1 января 2018 г. на уровне EUR 9.6 за гигаджоуль, что примерно соответствует 31.5 л бензина, 28 л дизтоплива, 25.5 кг сжиженного нефтяного газа, 22.6 л сжиженного пропана либо около 26 куб м природного газа. Предусмотрен пятилетний переходный период, в течение которого налог на дизельное и газовое горючее будет постепенно поднят до предложенного значения.

Налог на топливо для отопления с 1 января 2013 г. был установлен на уровне не менее EUR0.15 за гигаджоуль. Таким образом, 1 т угля, используемого для этих целей, подорожает примерно на EUR 4.6, 1 тыс. куб м газа – на EUR 5.75, а 1 тыс. печного топлива – на EUR 5.1. В обоих случаях европейские страны имеют право устанавливать свои ставки на уровне, превышающем минимальный. Для этого налога не предусматривается никаких исключений, помимо авиационного и судового топлива, стоимость которых определяется международными конвенциями и соглашениями.

Принятие нового энергетического налога будет способствовать достижению нескольких целей:

Во-первых, в экономике появится реальный стимул для снижения эмиссии CO2, причем в этот процесс будут вовлечены и те пользователи, на которые ранее не распространялась система торговли правами на выбросы.

Во-вторых, новые налоги будут способствовать достижению большей энергоэффективности и более широкому использованию альтернативных видов энергии. Согласно же новой системе, налог на биоэтанол будет почти на треть ниже, чем на бензин.

В-третьих, принятие этого проекта приведет к единообразию европейской налоговой политики. В настоящее время только в нескольких государствах ЕС есть налоги на выбросы CO2, а ставки акцизов на горючее значительно варьируются от страны к стране.

В-четвертых, благодаря получению дополнительных доходов от налогообложения топлива европейские страны смогут несколько уменьшить налоги на бизнес, и тем самым будут способствовать ускорению экономического роста и созданию новых рабочих мест.

Изменение "правил игры" потребует существенных затрат, для этого Еврокомиссия предусматривает 10-летний переходный период, который продлится до 2023 г. При этом девяти странам Восточной Европы будет позволено приступить к нововведениям только с 2020 г.

Новая инициатива Европейской комиссии, безусловно, привлекла пристальное внимание "зеленых" активистов, экономистов и промышленников. Однако большинство комментаторов отнеслись к проекту введения энергетического налога без особого энтузиазма.

Наиболее критично к энергетическому налогу настроены европейские автомобилестроители. Дело в том, что в последние 10–20 лет многие страны стимулировали широкое внедрение дизельных двигателей, как более экономичных и эффективных. Цены на дизельное топливо в ЕС заметно ниже, чем на бензин, в том числе вследствие меньшей ставки акциза.

В результате, в Германии по состоянию на 2010 г. 48 % автомобилей имели дизельные двигатели, а в Австрии эта доля достигала даже 60 %. Ими оснащается около половины легковых машин, выпускаемых немецкими компаниями. На дизельном топливе работает практически весь коммерческий транспорт в странах ЕС.

Между тем энергетический налог, предложенный Еврокомиссией, предполагает повышенную ставку именно на дизельное топливо вследствие его более высокой энергетической эффективности. По подсчетам немецкой ассоциации автомобилестроителей (VDA), если в настоящее время акциз на бензин составляет в Германии 64 евроцента за литр, а на дизельное топливо – 47 евроцентов, то в соответствии с новыми правилами, власти, оставив налог на бензин на прежнем уровне, будут вынуждены увеличить сборы с дизтоплива до 75 евроцентов за литр.

Кроме того, существенно возрастет и стоимость газового топлива, которое тоже сейчас стоит в Европе дешевле бензина. По словам европейских бизнесменов, подорожание дизтоплива окажет негативное воздействие на всю отрасль коммерческих автоперевозок и приведет к некоторому повышению цен практически на все товары в ЕС.

Федеральный канцлер Германии Ангела Меркель уже высказалась в поддержку национальных автомобилестроителей, заявив, что вряд ли поддержит энергетический налог в ео нынешнем виде. Ранее Германия возражала против введения общеевропейского налога на выбросы CO2, что поставило бы в невыгодное положение экономику страны, где очень высокую долю в энергетическом балансе занимает уголь.

Недовольны энергетическим налогом фермеры, поскольку Еврокомиссия предлагает отменить все льготы на горючее, которыми в настоящее время пользуется сельскохозяйственная отрасль. Наконец, некоторые специалисты высказывают опасения, что введение налога будет способствовать тому, что европейские компании ускорят перенесение производственных мощностей из ЕС в страны с более лояльной налоговой и регуляторной политикой.

По словам ряда экспертов, реализация плана Еврокомиссии приведет к ухудшению положения домохозяйств. Так, по некоторым данным, налог на печное топливо в Германии в соответствии с новыми правилами превысит EUR 60 за 1 т по сравнению с около EUR 20 в настоящее время. Из этой суммы немногим более EUR 5.5 за 1 т придется на сборы за энергетическое содержание и порядка EUR 56 за 1 т составит налог на выбросы CO2.

Кроме того, европейцам придется платить более высокую цену за автомобильное горючее, которое в ЕС и без того весьма дорогое. По мнению специалистов, хотя предложенные Еврокомиссией минимальные ставки энергетического налога ниже, чем нынешние акцизы на бензин, правительства, вероятнее всего, предпочтут выровнять сборы по верхнему пределу.

Поскольку по Лиссабонскому договору новые налоги в ЕС должны вводиться консенсусом, вероятность принятия энергетического налога в ближайшее время минимальна. О намерении наложить вето на эту инициативу сообщила не только Германия, но и Великобритания, принципиально выступающая против каких бы то ни было общеевропейских налогов и отстаивающая права стран ЕС на проведение самостоятельной фискальной политики.

Впрочем, можно предположить, что за первой попыткой Еврокомиссии непременно последуют и новые, вероятно, еще более решительные меры. Многие эксперты, выступающие за усиление борьбы с глобальным потеплением, раскритиковали проект энергетического налога как чересчур "беззубый". Так, по мнению главы неправительственной организации Green Budget Europe Кая Шлегенмильха, чтобы стимулировать инвестиции в технологии, ограничивающие выбросы CO2, ставка налога должна составлять, по меньшей мере, EUR30 за 1 т.

Ряд других специалистов также полагают, что для стимулирования использования биотоплива и перехода на гибридные автомобили уровень сборов с традиционных видов горючего должен, по меньшей мере, вдвое превышать показатели, указанные в проекте.

Летом текущего года Еврокомиссия обещает обнародовать еще несколько конкретных предложений, направленных на повышение энергоэффективности региональной экономики и сокращение объемов потребления традиционных энергоносителей. Очевидно, несмотря на растущее сопротивление деловых кругов, в Брюсселе не намерены поступаться принципами. Европейская комиссия продолжает настаивать, чтобы цели, поставленные в программе "20-20-20", были достигнуты любой ценой.[10–50].

Во всех европейских странах для поддержки производства и потребления биотоплива снижены те или иные налоги. В частности, в Швеции одна из привлекательных мер – освобождение биоавтомобиля от платы за парковку в центре города. [10–51].

Европейская комиссия поставила задачу использовать к 2020 году альтернативные источники энергии как минимум в 10 % транспортных средств. Есть также промежуточная цель в 5,75 % к 2010 г.

В ноябре 2007 в Великобритании было создано Агентство по возобновляемому топливу (англ. Renewable Fuels Agency), которое должно контролировать введение требований к использованию возобновляемого топлива.

Было рассмотрено непрямое влияние использования биотоплива на производство пищевых продуктов, разнообразие выращиваемых культур, цены на продовольствие и площадь сельскохозяйственных земель. В отчете предлагалось снижение динамики внедрения биотоплива до 0,5 % в год. Цель в 5 процентов таким образом должна быть достигнута не ранее чем в 2013/2014 г., на три года позже, чем было изначально предложено. Более того, дальнейшее внедрение должно быть сопряжено с обязательным требованием к компаниям применять новейшие технологии, ориентированные на топливо второго поколения. [51]. C 1 апреля 2011 года на более чем 300 шведских заправочных станциях можно было приобрести новый дизель. Швеция стала первой страной в мире, где можно заправлять машины экодизелем, сделанным на основе масла шведских сосен.

Экономический эффект

По оценкам Merrill Lynch прекращение производства биотоплив приведёт к росту цен на нефть и бензин на 15 %[10-9].

Потенциал

По оценкам Стэндфордского университета во всём мире из сельскохозяйственного оборота выведено 385–472 миллиона гектаров земли. Выращивание на этих землях сырья для производства биотоплив позволит увеличить долю биотоплив до 8 % в мировом энергетическом балансе. На транспорте доля биотоплив может составить от 10 % до 25 %. [10–52].

Стандарты

В Европе с 1 января 2010 года действует единый стандарт на биотопливо EN-PLUS.

 

10.9. Развитие биоэнергетики в отдельных странах ЕС

 

Документ «EU Biofuels Annual 2013» выпущен в конце августа 2013 г. в Гааге. Один из основных моментов отчета – постепенный переход от биотоплива, произведенного из пищевых продуктов, к биотопливу второго и третьего поколения, для которых не требуются пригодные для питания культуры. Кроме того, в документе раскрываются вопросы твердого и газообразного биотоплива. [10–53].

В настоящее время основным жидким видом биотоплива в Европе является биодизель, на долю которого приходится 70 % биотопливного рынка. 28 % – доля биоэтанола. При этом объемы производства биоэтанола растут в геометрической прогрессии. Если в 20082010 гг. в ЕС производилось 700-1000 млн. литров в год, то в 2012 г. уже 4,6 млрд литров в год.

В странах Европейского Союза к 2020 году прогнозируется увеличении потребления биоэтанола в 1,85 раз по отношению к 2011 году. В натуральных показателях это составит 14,8 млрд. литров. Что касается биодизеля, то благодаря антидемпинговой политике в отношении Соединенных Штатов Америки, ЕС расширило географию поставок биодизеля из различных стран. Так в 2013 г. ожидается увеличение импорта биодизеля на 300 млн литров в год из Перу, Пакистана и Гватемалы. Также возможно увеличение объема поставок этого вида моторного топлива из Бразилии.

Согласно данным EurObserv'ER, потребление транспортного биотоплива в странах ЕС в 2010 году выросло на 1,7 млн т. н. э. по сравнению с 2009 годом и составило 13,9 млн т. н. э. Темп роста ввиду увеличения объема рынка в последние два года имеет тенденцию к замедлению: если прирост в 2008 году составил 42,8 %, то в 2009 году -28,9 %, а в 2010 году – всего 13,6 %. Кроме насыщения рынка в качестве причины замедления потребления называют нежелание крупнейших странпотребителей искусственно поддерживать его рост при уже достигнутых высоких показателях.[10–54].

В 2010 году сегмент биоэтанола продемонстрировал лучший прирост по отношению к сегменту биодизеля – 26,1 % против 11,1 %. Подобное соотношение объясняется вводом в некоторых странах ЕС моторных топлив Е10 (10 % содержания биоэтанола, прежняя норма -5%). Потребление биогаза в транспортных приложениях выросло на 40,1 %, хотя эта технология развивается практически исключительно в Швеции. Потребление растительных масел в качестве моторного топлива сократилось на 14,3 % из-за ввода новых налогов на этот вид топлива в Германии.

Несмотря на менее активный рост в последние годы на европейском рынке биотоплива доминирует биодизель – 10,7 млн т. н. э. (77,3 %) в 2010 году. Доля биоэтанола составила 21,1 %, растительных масел – 1,3 %, биогаза – 0,4 млн т. н. э.

Рис. 10–18. Потребление биотоплива в странах ЕС в 2000–2010 гг, тыс.т.н. э.

Крупнейшими потребителями транспортного биотоплива в 2010 году были следующие страны: Германия (3,1 млн. т. н. э., доля биодизеля – 74,0 %), Франция (2,6 млн т. н. э., 81,4 %), Испания (1,4 млн. т. н. э., 83,6 %), Италия (1,4 млн. т. н. э., 90,0 %), Великобритания (1,1 млн. т. н. э., 72,2 %). Карта потребления биотоплива в 2010 году представлена на рисунке.

В биодизельной отрасли условия работы компаний не улучшились в 2010 году. В регионе отмечается избыток мощностей, который приводит к низкой прибыли заводов и активному росту импорта более дешевого биодизеля. По оценке Eurübserv'ER, в 2010 году в страны ЕС было ввезено 2,5 млн т биодизеля, что почти на 40 % выше уровня прошлого года. Основными поставщиками биодизея в ЕС являются страны Южной Америки.

Рис. 10–19. Структура потребления биотоплива в транспортном секторе в странах ЕС в 2009 году[10–55].

В Европе главным производителем биодизеля является Германия – 2,9 млн тонн из общих 9,6 млн тонн в 2010 году. Далее следовали Франция (1,9 млн тонн), Испания (0,9 млн тонн), Италия (0,7 млн тонн), Бельгия (0,4 млн тонн). При этом мощность немецких заводов оценивается в 4,9 млн тонн, испанских – 4,4 млн тонн (т. е. почти в 5 раз больше по сравнению с реальным выпуском), французских – 2,5 млн тонн, итальянских – 2,3 млн тонн.

Европейский рынок биоэтанола сегодня отличается большей стабильностью. До недавнего времени значительная часть потребления биоэтанола в регионе обеспечивалась поставками из Бразилии. Однако в 2010 году бразильские поставщики столкнулись с дефицитом биоэтанола на внутреннем рынке, что при росте спроса на топливо в странах ЕС может привести к активному развитию новых биоэтанольных производств в Старом Свете. Уже в 2010 году производство биоэтанола в регионе выросло на 13,3 % (до 55.3 млн декалитров). По-прежнему регион борется к дешевым биоэтанолом высоких марок (Е85-Е90) из США, на который американские производители имеют значительные субсидии и могут поставлять в Европу по ценам ниже рыночных.

Главные европейские компании-производители биоэтанола:

Abengoa – 14 заводов (США – 6, Испания – 4, Бразилия – 2; Франция – 1; Нидерланды – 1), общая мощность – 3,2 млрд. л; Tereos – 14 заводов (Франция – 6, Бразилия – 6, Бельгия – 1, Чехия – 1), общая мощность – 1,7 млрд. л;

Как прогнозирует FAS USDA, в ближайшие два года объем производства биоэтанола в ЕС и коэффициент использования мощностей вырастет благодаря мерам, принятым для ограничения импорта биоэтанола. В 2013 г. производство биоэтанола достигнет 5,190 млрд. л, в 2014 г. – 5,380 млрд. л, а коэффициент использования производственных мощностей повысится до 61 % и 63 %, соответственно. В прошлом году европейские заводы произвели 4,620 млрд. л биоэтанола.

Крупнейшие производители биоэтанола сосредоточены в странах Бенилюкса, Германии и Франции. Ожидается, что в 2014 г. в странах Бенилюкса будет изготовлено 1 114 млн. л биоэтанола (873 млн. л в 2012 г.), в Германии – 823 (776) млн. л, во Франции – 759 (759) млн. л.

Потребление биоэтанола в ЕС к 2014 г. вырастет до 5,760 млрд. л (5,700 млрд. л в 2013 г.). Крупнейшим потребителем биоэтанола останется Германия, хотя темпы роста потребления сильно замедлятся. По прогнозам FAS USDA, в 2014 г. объем потребления биоэтанола в Германии достигнет 1,709 (1,646) млрд. л, в Великобритании – 1,266 (1,139) млрд. л, во Франции – 0,759 (0,759) млрд. л.

Импорт биоэтанола в страны Евросоюза в 2013–2014 г.г. стабилизируется на уровне 850 млн. л в год. В 2012 г. объем импорта составил 1,177 млрд. л. [56]

Стратегия развития биоэнергетики существенно отличается в разных странах ЕС. Австрия и Италия сосредотачивают свои усилия на строительстве тепловых станций мощностью 0,5… 10,0 МВт, использующих в качестве топлива отходы лесной и дерево-обрабатывающей промышленности. В Финляндии, Дании и Швеции около 70 % полученной из Биомасса энергии превращаются в тепловую и электрическую энергию на больших теплофикационных ТЭЦ, остальные – на крупных тепловых станциях. Такие ТЭЦ имеют мощность 10… 80 МВт и как первичные энергетические ресурсы используются Биомасса и традиционные топлива. Одним из способов получения энергии из биомассы животного и частично растительного происхождения ее анаэробное (без доступа кислорода) сбраживание. Биогазовые технологии широко распрастранены по странам ЕС, но ведущей страной является Германия. [10–57].

Значительным преимуществом биогазовых установок является то, что они одновременно играют роль очистных сооружений, снижающих бактериальное и химическое загрязнение почвы, воды и воздуха. По сравнению с малыми ГЭС, ветро– и гелиоэнергоустановками, которые являются пассивно чистыми (используют экологически чистые источники энергии), биогазовые установки – активно чистые, то есть устраняют экологическую опасность продуктов, применяемых в качестве источника первичной энергии.

В настоящее время в Европе лидирующее положение по производству биогаза занимает Германия (более половины всех установок). По данным Немецкой биогазовой ассоциации на 2007 г. количество действующих биогазовых установок приблизилось к 4 тыс. шт. 3 из 6 крупнейших европейских компаний в биогазовой отрасли – немецкие: Strabag Umweltanlagen GmbH, Schmack Biogas AG, Biotechnische Abfallverwertung – с общим количеством 280 заводов и объемом производства порядка 3,7 млн т. По прогнозам количество установок в Германии до 2020 г. достигнет 20 тыс. шт.

В Швандорфе (Бавария, Германия) была запущена крупнейшая в Европе установка по производству биогаза, которая ежегодно вырабатывает из 85 тыс. т растительного сырья 16 млн м3 экологически чистого энергоносителя.

Продукция новой биогазовой установки будет поступать в газовую сеть в виде природного биогаза (биогаза, облагороженного до уровня природного).

К 2030 г. природный биогаз будет покрывать около 10 % потребления природного газа в Германии, что равно потреблению газа примерно в 5 млн домашних хозяйств.[10–58].

Но ведущее место в европейской биоэнергетике принадлежит производству биоэтанолу и биодизелю.

Производство биотоплив в Европе регулируется системой квот. В начале 90-х годов Общая Сельскохозяйственная Политика лимитировала посадку непродовольственных культур на землях под паром, но эта система не гарантировала равные права для различных производителей биотоплива в Европе. В 1993 году было решено ввести систему тендеров. Сейчас ЕС требует от стран установить национальные уровни производства биотоплива и объявляет международные тендеры для

удовлетворения этих уровней. На настоящий момент Франция и Италия установили такие квоты.[10–59].

 

10.9.1. Субсидирование производства биотоплива в ЕС [10–60]

Годовые поддержки производства биотоплива, предоставляемые правительствами стран ЕС достигли € 3,7 млрд. в 2006 году… Государственная поддержка осуществляется через множество политических мероприятий на местном, региональном, национальном уровнях. Эти меры включают освобождение от или сокращение топливных акцизов, прямые выплаты производителям в некоторых государствах-членах; капитальные гранты или дешевые кредиты для инфраструктуры; области платежей для выращивания энергетических культур, а также финансирование научных исследований и разработок. Некоторые государства-члены, где имеется минимальная доля рынка биотоплива, начали отходить от освобождения их от топливных акцизов.

В 2008 году общий объем трансфертов в поддержку производства биотоплива, связанной с политикой ЕС и его государств-членов составил € 3.010 млрд… Снижение поддержки за литр имеет значение: в 2006 году она была равна € 0,74 и € 0,50 за литр потребленного этанола и биодизельного топлива потребляется, к 2008 году она снизилась до € 0,24 и € 0,22 за литр потребляемого соответственно. Одним из наиболее важных является то, что акциз налоговых льгот, которые составляет собой самую большую долю поддержки, был сокращен в нескольких государствах-членах. Эксперты рынка Европейского союза отмечают, что в 2011 году в ЕС произошло значительное увеличение объёмов импорта биодизеля.

Согласно оценкам аналитиков, в 2011 году, по сравнению с предыдущим годом, поставки моторного биотоплива вырасли на 21 % до 2,52 млн т. Около 1,4 млн. т. было импортировано из Аргентины, а как минимум 830 тыс. т. – из Индонезии и Сингапура. В 2010 году в страны ЕС было импортировано 1,1 млн. т. аргентинской и 516 тыс. т. индонезийской и сингапурской продукции. Основным потребителем биотоплива являлись Италия и Испания.

В 2011 г. производство биодизеля уменьшилось на 6,3 % до 9 млн. т. Выпуск биотоплива снизился в основных странах-производителях в регионе: в Германии – на 2,5 %, до 2,73 млн. т., во Франции-на 5,6 % до 1,87 млн. т., Испании– на 31 %, до 550 тыс. т., в Италии-на 40 %, до до 450 тыс. т.

В 2013 г. ожидается увеличение импорта биодизеля на 300 млн литров в год из Перу, Пакистана и Гватемалы. [10–61].

Европейский Союз планирует, чтобы биотоплива составляли 10 процентов от общего числа моторных топлив в 2020 году против 1,6 процента в 2006 году. [10–62].

Есть два основных вида биотоплива: этанол, который иногда называют "biopet-rol" и который зарезервирован для бензиновых двигателей, а также biodiesels, используется в дизельных двигателях.

На данный момент биодизель гораздо более широко, чем этанол, используется в Европе, на его долю приходится до 80 процентов против 20 процентов для этанола.

Но это может измениться в будущем, с появлением автомобилей, оснащенных "биогорючее» или «гибких» двигатели, которые должны использовать максимум 85 процентов этанола, на 15 процентов бензина.

Рис. 10–20. Saab 9–3 BioPower SportComi, E85 Flexifuel модель введена Saab на шведском рынке в 2007 году.[10–63].

Швеция одна из крупнейших стран ЕС – пользователей бензина марки Е85, с резким ростом от 717 автомобилей в 2001 году до 195 545 к маю 2010 года. Швеция имеет самый большой автобусный парк в мире, более 600 автобусов, работающих на ED95, в основном в Стокгольме. Большинство топливного этанола в Швеции импортируется, в основном из Италии и Бразилии. Десятки муниципалитеты начали производство биогаза из сточных вод. В концу 2009 года насчитывалось 23000 газов автомобилей и 104 общественных автозаправочных станций. [10–63].

Рис. 10–21. ED95 автобуса в Швеции, работающие на изменение дизельный двигатель. [10–63].

 

10.9.2. Биодизель в качестве альтернативного моторного топлива

В Европейском союзе (ЕС), биодизель на сегодняшний день крупнейшее биотопливо и составляет 82 % от производства биотоплива[10–64]. Производство биодизеля в 2003 году в ЕС-25 было 1504000 тонн из девяти стран. По данным Европейской Комиссии за 2004 год, Германия произвела около 715 000 тонн в 2003 году, Франция производила 357 000 тонн, а Италии производится 273 000 тонн.

Для производства биодизеля используется около 1,4 млн. гектаров (га) пахотных земель в ЕС.

На долю Германии приходится до 40 %.продукции. В ЕС работает около 40 заводов, однако, количество заводов растет довольно быстро., Заводы расположены в основном в Германии, Италии, Австрии, Чешской Республике, Франции и Швеции.

 

10.9.3. Швеция [10–65]

Со времен нефтяного кризиса начала 1970-х годов Швеция инвестирует значительные средства в поисках альтернативных источников энергии. Это позволило без осложнений сократить долю нефти в энергопотреблении. В 1970-е годы на долю нефти приходилось 75 % производимой в стране энергии, а к 2009 году этот показатель снизился до всего лишь 32 %, в основном за счет уменьшения использования нефти для нужд отопления в жилищно-бытовом секторе.

Основные положения нынешней энергетической политики Швеции были сформулированы в 1997 г. Правительство поставило тогда своей целью стимулировать «эффективность и устойчивость энергопользования при повышении эффективности затрат в энергопроизводстве», чтобы тем самым «способствовать переходу к экологически устойчивому обществу». Для достижения этих целей и мониторинга развития в этой сфере было создано Шведское государственное энергетическое управление.

Растет доля возобновляемой энергии.

В настоящее время 45 % потребляемой в Швеции энергии – электричества, тепла для нужд отопления и топлива – поступает из возобновляемых источников. По этому показателю она опережает большинство других стран Европы, главным образом, благодаря большой доле в ее энергетике гидроэлектроэнергии и биотоплив. В начале 2009 г. вступила в силу директива ЕС, направленная на стимулирование развития возобновляемых источников энергии. Исходя из нее, в Швеции поставлена цель увеличить долю возобновляемой энергии на 50 % к 2020 г.

Низкий объем выбросов при высоком энергопотреблении.

Швецию отличает высокий уровень потребления энергии на душу населения – 16000 кВт на человека в год. По этому показателю ее опережают лишь очень немногие страны. Тем не менее, объем выбросов углекислого газа в Швеции ниже, чем в других странах. На каждого шведа приходится в среднем 5,3 тонны выбросов двуокиси углерода в год, тогда как в среднем по Евросоюзу этот показатель составляет 8,1 тонны, а для США – 19,0 тонн.

Столь низкий объем выбросов объясняется тем, что источником 85 % всей электроэнергии в Швеции являются АЭС и ГЭС, не дающие выбросов двуокиси углерода.

Биотопливо – источник тепла и энергии.

Еще 12 % производимой в Швеции электроэнергии приходится на долю комбинированного производства тепловой и электрической энергии – теплоэлектростанций (ТЭС), работающих преимущественно на биотопливе. Оставшаяся доля электроэнергии, порядка 2 %, производится на ветроэлектростанциях (ВЭС).

Возобновляемая электроэнергия.

В 2003 г. в Швеции была введена экосертификация электроэнергии с целью стимулировать использование энергии из возобновляемых источников. «Зеленые» сертификаты выдаются на электричество, производимое за счет энергии ветра, волн, солнца, геотермических источников, а также из биотоплив и на малых гидроэлектростанциях. Определенная доля электроэнергии, расходуемой потребителями, должна быть экосертифицированной, что отражается в структуре оплачиваемых ими счетов за электричество, а производители электроэнергии получают экосертификацию в объеме, пропорциональном числу мегаватт-часов (МВт-ч) произведенной ими возобновляемой электроэнергии. Целью этой системы является увеличение производства возобновляемой электроэнергии с 2002 по 2020 год на 25 ТВт-ч. В период с 2002 по 2009 год производство возобновляемой электроэнергии в рамках системы сертификации возросло на 8,2 ТВт-ч, причем около 67 % от этого прироста пришлось на биотоплива, а 24 % – на энергию ветра.

Альтернативные топлива.

Швеция прилагает немалые усилия для развития возобновляемых альтернативных видов топлива. Разработки в области использования этанола были начаты еще в 1980-е годы, и Швеция относится к числу ведущих стран мира в этой области.

Однако шведские исследователи направляют свои усилия на производство этанола из целлюлозы, называемой биотопливом второго поколения. В большинстве случаев этот метод более эффективен, нежели производство из злаковых. Кроме того, этот вид этанола не оказывает влияния на снабжение продовольствием. К другим представляющим интерес видам биологического топлива относятся различные виды биогаза, получаемые в числе прочего из навоза и отходов.

Транспорт становится чище.

В соответствии с целями Европейского Союза к 2020-му году 10 % всего транспортного топлива должно производиться из возобновляемых источников энергии. К 2009 году этот показатель в Швеции достиг 5,3 %, в основном за счет растущего потребления этанола. Чтобы ускорить это развитие, в 2006 году был принят «закон о бензоколонках», согласно которому все топливозаправочные станции, продающие более 3000 кубометров бензина или дизельного топлива в год, обязаны продавать по меньшей мере один вид возобновляемого топлива.

КАКИМ БУДЕТ АВИАЦИОННОЕ ТОПЛИВО БУДУЩЕГО? [10–66].

Увеличение мирового потребления нефти приводит к росту на топливо из нее, что ставит перед авиакомпаниями вопрос о замене керосина на BioJet.

Шведская биотопливная компания AB имеет многолетний опыт в области исследований, разработки, демонстрации и внедрения альтернативных видов топлива для транспортной отрасли. Шведское Биотопливо AB полностью синтетическое и итспользуется для реактивных двигателей. Процесс его производства схематически показан на рис. На первом этапе исходная биомасса (зерно или древесина) подвергается гидролизу с образованием сахарного сиропа. Далее сахара сбраживаются дрожжами до спиртов С-2 – С-5, который затем преобразуется путем химического синтеза в смесь C4-C20 углеводороды. Эти углеводороды впоследствии разделены на биологические бензина, керосина и дизельного топлива путем ректификации.

Рис. 10–22. Шведская технологическая схема производства Биотоплива AB.

Шведская технология производства Биотоплива AB обеспечивает плавный переход от ископаемых видов топлива на биотопливо без изменения конструкции двигателя, производительность и распределения, а также с улучшением, а не снижению качества окружающей среды. Технологии для производства биологических видов моторного топлива защищен патентами по всему миру.

Главное отличие биологических моторных топлив – высокое содержание энергии. Это достигается за счет использования оригинальной технологии переработки биомассы.

Шведской компании «Biofeuls» было выделено дополнительно 3 миллиона долларов на финансирование научных исследований из Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), подразделения Министерства обороны США. С 15 ноября 2007 шведская компания «Biofeuls» работает по контракту с DARPA для развития JP-8 топлива для реактивных двигателей., Шведская компания «Bio-feuls» получил начальное награду от DARPA в размере $ 2 млн. в 2007 году. Этот новый грант приносит полную поддержку DARPA до $ 5 миллионов.

Через 15 месяцев исследований и разработок шведская компания «Biofeuls» представила первый прототип реактивного топлива, содержащего 100 % биологического реактивного топлива SB-JP-8 эквивалентно нефтяной основе JP-8. SB-JP-8 образец был получен из зерновых культур и представлен на тест-центр правительства США для оценки в соответствии со стандартом MIL-DTL-83133F. Тестирование на AFRL отделении образца топлива СО^Р-8 показало, что он соответствует или превосходит все ключевые первые требования урвня военной спецификации на нефтяной JP-8 керосин.

Для быстрейшей индустриализации технологии получения биологических углеводородов, шведская компания «Biofeuls» выполнила тесты на моторное топливо, в котором 25 % нефтяного дизельного топлива была заменена биологической SB-JP-8 топлива для реактивных двигателей. Испытания проводились на стандартных дизельных двигателях. Положительные результаты испытаний показали возможность замены нефтяного дизельного топлива биологическим керосином. Это также обеспечивает дополнительные возможности для коммерциализации 100 % биологическую SB-JP-8 топлива для реактивных двигателей.

 

10.9.4. Финляндия

Финская компания Neste Oil является ведущим в мире производителем возобновляемой дизельного топлива. Основанный на технологии Neste Oil возобновляемое дизельное биотопливо NExBTL самое передовое на рынке сегодня. Топлива помогает уменьшить выбросы парниковых газов и выбросов выхлопных газов, которые оказывают влияние на качество воздуха в городах.[10–67]. Neste Oil инвестировала значительные средства в расширение производственных мощностей возобновляемых дизельного топлива В то же время Neste Oil продолжает активную программу R & D подббора сырья для производства биотоплива. [10–67]. Компания Neste Oil запускает крупнейший в Европе завод по возобновляемому био топливу на Роттердамской Маасвлакте.

Neste Oil стартовала большим биотопливным заводом Европы в Роттердамском Maasvlakte. Это является важной вехой в реализации стратегии более чистого Neste Oil в транспортной и консолидирует позиции компании как ведущего в мире производителя возобновляемой биотоплива. Это является важной вехой в реализации стратегии Neste Oil по созданию более чистого транспорта и укрепляет позиции компании как ведущего производителя в мире возобновляемого биотоплива. Завод был завершен в рамках бюджета и в соответствии с графиком… Производство в Роттердаме будет нарастать постепенно и может достигнуть максимума в 800 000 тонн в год. Общий объем производства финской компании в настоящее время 2 млн. тонн в год. В прошлом году завод идентичный заводу в Роттердаме начали строить в Сингапуре. Две установки эксплуатируются в Порвоо в Финляндии с 2007 по 2009 год. Все эти заводы производят NExBTL возобновляемое биотопливо, а также имеют возможность производить NExBTL возобновляемое авиационное топлива. Компания Neste может сделать это топливо практически из любого растительного масла или жира, отходов животноводства, благодаря своим технологиям. Биотопливо NExBTL – топливо высокого качества, которые можно использовать во всех дизельных двигателях и существующих системах распределения топлива. Топливо имеет отличную производительность при низких температурах и может быть использовано в чистом виде или в смеси с нефтяным дизелем… С помощью NExBTL можно добиться сокращения выбросов парниковых газов до 80 % по сравнению с ископаемым дизельным топливом. [68].

 

10.9.5. Норвегия

В Норвегии применяются передвижные установки на лесосеках, где перерабатываются растительные отходы методом пиролиза. Производительность отдельной установки от 10 до 30 т древесного угля в сутки. При пиролизе из 1 т отходов (щепа) получается 280 кг угля, 200 кг смолы пиролиза и около 222 кг газообразного топлива. Газообразное топливо используется для поддержания процесса пиролиза. Смола пиролиза применяется как котельное топливо или подвергается гидрооблагораживанию под давлением водорода для получения бензина и дизельного топлива. Стационарные установки пиролиза могут иметь до 40 печей, и рассчитаны на переработку 300350 тыс. т органических отходов в год. [10–69].

 

10.9.6. Нидерланды

Королевские ВВС Нидерландов продемонстрировали вертолет Apache на биотопливе.

Королевские ВВС Нидерландов недавно провели успешные испытания полетов вертолета Apache на авиабазе Gilzen-Rijen, что в Нидерландах, в ходе которых один из двух двигателей вертолета питался от альтернативного биологического топлива. Ассистентом подготовки и проведения тестирования выступила Национальная аэрокосмическая лаборатория США (NRL). В качестве биотоплива Королевские ВВС использовали смесь в процентном соотношении 50/50 устойчивого биокеросина и стандартного реактивного топлива, используемого в авиации, – чтобы удовлетворить требованиям годности к лётной эксплуатации. [10–70].

Рис. 10–23. Испытания по использованию биотоплива на военном вертолете Apache в Нидерландах.

Для проведения лётных испытаний био-керосин был произведен с использованием биомассы на основе морских водорослей в количестве 5 процентов и использованного растительного масла – 45 процентов от общего объема топлива для вертолета. В некотором смысле можно считать, что состоялась мировая премьера такого вида биотоплива для двигателей вертолета.

Во время тестового полета вертолета Apache аэрокосмическая лаборатория проводила различные измерения с использованием общей измерительной системы (GIS). Эта система измеряет данные о вертолете и сохраняет их для последующей обработки в системе Omega. В частности, полученные данные GIS о показателях вертолета позволили исследователям NRL определить, что оба двигателя работали в рамках допустимых пределов, и ни вертолет, ни экипаж не сталкивались с рисками безопасности во время полета.

По сообщениям агентства Интерфакс, 25 февраля 2011 г. самолет "Боинг-747" компании Virgin Atlantic, заправленный биотопливом, совершил первый пробный полет по маршруту Лондон – Амстердам. "Один из его четырех двигателей работал на топливе, полученном из растительной массы. Полет был призван доказать, что биотопливо не замерзнет на высоте свыше пяти тысяч метров", – сообщила в понедельник британская телерадиовещательная корпорация Би-би-си.

 

10.9.7. Франция

Во Франции развивается два направления по производству биотоплив:

Производство этилового спирта и этил-три-бутилового эфира (ЕТВЕ) как топлив для транспортных средств; и

Производство растительных масел как метиловых(ЕМНУ) и этиловых (ЕЕНУ) эфиров

Производство биотоплива для транспортных средств.

Этиловый спирт (или биоэтанол).

Во Франции главными ресурсами для использования в производстве этилового спирта являются свекла и злаки. В настоящее время на промышленной стадии использовуются только сахарное сырье и меласса. Между тем обработка биомассы лигноцеллюлозы является предметом исследовательских трудов для оптимизации методов производства и затрат.

Включение этилового спирта в топливо возможно в объеме до 5 %, без изменения двигателей.

ЕТВЕ (ethyl tertio butyl ether – этил-тертио-бутил-эфир).

Рис. 10–24. Структурная формула ETBE.

Этиловый спирт может быть использованным в виде ETBE. ETBE содержит 49,75 % в массе (47 % в объеме) этилового спирта, соединенного в химической форме с изобутаном. Синтез ETBE очень близок к синтезу MTBE (дополняющего оригинальный бензин для улучшения октанового числа). В силу этого, производственные объекты MTBE могут быть перепрофилированы для производства ETBE с малыми инвестициям. ETBE может быть включен в топливо в объеме до 15 %.

Включение ETBE в оригинальный бензин представляет следующие преимущества:

• Никакой проблемы изменчивости.

• Увеличивается октановое число.

• Толерантность к воде (нерастворимость в воде).

В техническом плане, ETBE – наилучший способ включения этилового спирта в горючее, благодаря своему высокому октановому числу так же как своей слабой изменчивости. Это техническое заключение является предметом согласия в профессиональных кругах.

Биотопливо для дизельных транспортных средств.

EMHV (сложный метиловый эфир растительного масла) Мировое производство растительного масла – это порядка 80Mt / в год, среди которых 30 % для пищевого использования. Современные дизельные двигатели неприспособлены для прямого питания растительным маслом (главным образом рапсововым маслом). Для этого растительное масло превращают операцией трансэстерификации с метанолом, в EMHV. Между тем возможно использовать этиловый спирт вместо метанола, но этот путь пока мало развит (EEHV, сложный этиловый эфир растительных масел).

EMHV (сложный метиловый эфир растительных масел).

1 тонна масла + 0,1 тонна метанола => 1 тонна EMHV + 0,1 тонна глицерина

Во Франции для изготовления EMHV используется главным образом именно рапс (с небольшим количеством подсолнечника). Физикохимические характеристики EMHV соседствуют с характеристиками газойля и это то, что позволяет его использовать в смеси с газойлем в классических дизельных двигателях для дорожных транспортных средств или в смеси с домашним мазутом (печным топливом). Во Франции, существует две возможности использования EMHV:

• Небольшое включение (порядка 5 % в объеме) в классическом.

• Более высокое включение (30 % в общем объеме), для использования в специфических городских нуждах, разрешенных отступлениями.

Величина 5 % – это результат утверждения программы газойля, содержащего 5 % ЕМС (сложный метиловый эфир рапса) осуществленной между 1991 и 1995. До значения 5 %, присутствие не влечет изменения характеристик смеси, что позволяет не изменять транспорт пользователей. Кроме того, при этом значении, включение не требует урегулирования формулировки газойля с точки зрения спецификаций европейской нормы EN 590.

 

10.9.8. Швейцария

В 2007 году Швейцарское федеральное правительство потратили (или освобождены от налогов) около CHF 12000000 поддержки производства и потребления биотоплива. Это число может вырасти в десять раз, более чем сто миллионов швейцарских франков в год в ближайшие десятилетия.[10–71].

CHF 1500 на снижение одной тонны выброса углерода с использованием рапсового биодизеля. По той же стоимости, правительство может приобрести около 30 тыс. тонн CO2-эквивалента смещения на Европейской климатической бирже. Даже в «лучшем случае», биодизель, сделанные из переработанных отходов нефти, правительство могло бы приобрести в шесть раз больше CO2-эквивалента смещения на Европейской климатической бирже, чем через субсидии. Если сокращение выбросов углекислого газа является главной целью политики, то субсидирование производства биотоплива обходится дорого и неэффективно.

 

10.9.10. Соединенное королевство

Правительство Великобритании в настоящее время определяет политику, отвечающую директивам ЕС по использованию возобновляемой энергии в объеме 10 % к 2020 г. В этом исследовании рассматривается потенциал фискальной нагрузки на правительство Великобритании и дополнительные издержки для потребителей и других разделов экономики, если величина замещения возобновляемой энергии будет увеличена с 4–5% до 10 или 15 %.[10–72].

 

10.9.11. Канада

Общий объем государственных трансфертов на биотопливо за трехлетний период, закончившийся 2008 году приблизился к $ 1 млрд CAD, в среднем около $ 300 млн канадских долларов в год в Субсидии составили от 20 до 70 процентов от розничной цены рынка биотоплива. Трансфертные платежи на этанол из кукурузы (маиса), наиболее распространенный продукт в Канаде, требуют субсидий в размере от $ 0.50 и $ 0.70 за литр замещаемого эквивалентного литра ископаемых топлив. [10–73].

Чтобы удалить одну тонну выбросов парниковых газов из атмосферы через производство топливного этанола из кукурузы или пшеницы нужно затратить от $ 20 °CAD и $ 40 °CAD. Для сравнения, одна тонна сокращения выбросов CO2 на Чикагской климатической бирже стоит $ 4,25 CAD, или $ 33,85 CAD на Европейской климатической бирже.

 

10.9.12. Индия

Индия является одной из ведущих развивающихся стран в области производства биотоплив и биоэнергетики. Важным сырьевым источником для получения биотоплив рассматривается сахарный тростник и отходы при производстве из него сахара.[10–74]. Эта страна имеет огромный потенциал для производства биотоплива, так как располагает высоким производством биомассы в мире и производит 146 миллиардов метрических тонн, что в 10 раз превышает годовую потребности ее в энергии. Страна может использовать как термохимические технологии, так и биоэнергетические. Сахарный тростник, урожай которого составляет 300 млн. тонн/год, является лучшим сырьем для производства биотоплив, включая также мелассу (10 млн. т / год), багасу (7 млн. т / год) этанол (15 млрд л / год) и барду (18 млн. т / год). Индия может стать крупным экспортером этанола для производства бензина Е-85 для США и ЕС.

Широкомасштабное развитие производства биотоплив рассматривается в Индии как важная политическая и стратегическая цель и задача на ближайшую перспективу. [10–74].

В русле выполнения поставленных выше задач Индия и Соединенные Штаты объявили о создании совместного Фонда в $ 125 млн. для проведения комбинированных исследований в области экологически чистой энергии. По три таких организации в каждой из стран были отобраны для создания американо-индийского Центра исследований и разработок (JCERDC) по чистой энергии, как части американо-индийского партнерства по развитию экологически чистой энергетики, что было объявлено в ноябре 2009 года во время визита Президент США Барак Обама в Индию.[10–75].

В решении проблемы альтернативных моторных топлив или жидких биотоплив Индия планирует создать производства биодизельного топлива из непищевых растительных культур таких, как Jatropha или Каранджи (Pongamia) и биоэтанола из сахарного тростника и патоки.

Две индийские компании: Indian Oil Corporation (IOC) R Limited, и D-центр в Faridabad планируют создать в ближайшие 3–4 года производства биотоплив второго поколения. [10–76].

Ученые и инвесторы Индии планируют создать производства биоуглеводородов из микроводорослей, так как водоросли могут производить много раз больше нефти на единицу площади, чем любой завод в мире.[10–77].

Индия в плане выполнения задач по развитию в стране биоэнергетики и охране окружающей среды планирует к 2017 году перевести транспорт на углеводород-этанольную смесь в соотношении 80:20.[10–78].

Однако, создание таких смесей и, прежде всего, производство биоэтанола ставит рад проблем.

Смешивание бензина с этанолом потребует 350,000 тонн этанола в год при этом образуется 574000 тонн углекислого газа (парникового

газа), который будет выбрасываться в атмосферу, а также после дистилляции этанола будет оставаться спиртовая барда (4680 млн. литров в год), что также может представлять угрозу для экологии. [10–79].

Однако, мир располагает промышленными технологиями для утилизации диоксида углерода (сухой лед или выращивание водорослей) и переработки барды в биогаз и ценные кормовые продукты и удобрения.

В Индии планируется разработка законопроекта по обязательному 5 процентному смешиванию этанола с бензином во всех штатах страны, чтобы помочь фермерам, производящим сырье для производства этанола и для сокращения импорта нефти.[10–80].

В ряде штатов Индии (Махараштра, Гуджарат, Карнатака, Пенджаб) с января 2003 г. действуют автозаправочные станции, заправляющие автомобили углеводород-этанольной смесью. [10–81].

В Индии биотопливо предполагают получать из семян мадуки и шореи[10–82].

Именно семена деревьев, а не биомасса или зерновые, могут стать богатым источником возобновляемой энергии. Масла семян индийской мадуки длиннолистной (Madhuca longifolia) и шореи исполинской (Shorea robusta) обладают сравнимой с биодизелем теплотворной способностью, но производят в процессе выработки меньше побочных продуктов (угарного газа, оксида азота и др.).

Рис. 10–25. Лес Shorea robusta или салового дерева – Индия.

Применение масел из семян деревьев имеет ряд преимуществ по сравнению с другими растительными маслами. Это позволит сократить загрязнение инжекторов, а также объем нагара и липкость поршневого кольца – наиболее распространенных проблем, возникающих при использовании некоторых видов биотоплива.

Семена деревьев попросту пропадают в лесах, а ведь, например, ядро мадуки составляет 70 % семени и на 50 % состоит из масла, которое можно извлечь на уровне 34–37 %. Семена шореи могут давать 20 % масла. Масло, естественно, не конечный продукт: с помощью химической переэтерификации оно преобразуется в биотопливо. Тем же образом были протестированы семена нима (Azadirachta indica), однако в этом случае экономическая целесообразность метода под большим вопросом, поскольку древесина нима высоко ценится именно как древесина, а период созревания семян существенно больший, чем у шореи и мадуки.

Шорея исполинская (сал, шала, саловое дерево) – Shorea robusta. Вид деревьев семейства Диптерокарповые. Сал произрастает в Южной Азии, к югу от Гималаев; с восточной стороны от Мьянмы до Непала, Индии и Бангладеш. В Индии саловые леса растут, начиная от Ассама, Бенгала, Ориссы и Джаркханда на западе, до хребта Шивалик к востоку от Джамны.

Рис. 10–26. Шорея исполинская.

Рис. 10–27. Мадука длиннолистная.

Мадука длиннолистная – madhuca longifolia. дерево семейства сапотовые, распространенное в лесах северной Индии. мадука длиннолистная – быстрорастущее полулистопадное или вечнозелёное дерево, достигающее до 20 м в высоту. дерево культивируется в тропических областях ради маслянистых семян и мясистых цветков. одно дерево производит за год от 20 до 200 кг семян, в зависимости от возраста.

Рис. 10–28. Азадирахта индийская

Азадирахта индийская (ним, ниим, маргоза) – Azadirachta indica. Вечнозеленое дерево семейства Мелиевые, происходящее из тропических и субтропических районов Пакистана, Бангладеш, Индии и Мьянмы. Дерево высотой 12–18 м с раскидистой кроной.

 

10.9.13. ОАЭ [10–83]

ДУБАЙ: ОАЭ, национальный перевозчик Etihad Airways стал первым, работающим на биотопливе. Новейшего Boeing 777-300ER, совершил 14-часовой перелет от Сиэтла до Абу-Даби 24 января 2012 г. является первым в Персидском заливе и будет и далее работать с использованием биотоплива, как авиакомпания объявила.

 

10.9.14. Япония

Компания Toyota Motor Corporation будет наращивать усилия в области создания коммерческого использования нового биотоплива к 2020 году для гибридного автомобиля, работающего на экологически чистом топливе.

Для производства биотоплива компания Toyota уже разработала получение этанола дрожжами за счет эффективного брожения сахара из несъедобной тропической травы Napier.[10–84].

 

10.9.15. Бразилия

Бразилия – самый крупный в мире производитель сахарного тростника и сахара и с выпуском в 24.9 млрд. литров (19.76 млн. тонн) этанола является вторым по величине после США производителем этанола в мире. В то время как использование этанола растёт глобально, никакая другая страна в мире не полагается на этанол столь основательно, как Бразилия. Страна уже сняла импортные тарифы на ввоз этанола, полагая, что за ней последуют США и другие страны, но пока будущее мировой торговли этанолом всё ещё не ясно, также как и то, какую роль будут играть южноамериканские страны в 2010 году.[10–85]. Характеристика отрасли.

Бразилия производит топливный этанол из сахарного тростника (маркетинговый год с 1 мая по 30 апреля). В сезоне 2007/09 МГ Бразилия собрала рекордные 604.5 млн. тонн сахарного тростника (542 млн.т. в Южно-Центральном регионе), прогноз на 2010 год – 651.5 млн. тонн. Рост достигнут за счёт расширения посевных площадей до 7.74 млн. га (2006 – 6.4 млн. га) и благоприятных погодных условий.

Из общего сбора тростника на производство сахара направлено 45.1 % (286.3 млн. тонн). Для изготовления этанола было использовано 54.9 % (348.6 млн. тонн), из которых получено: 9.13 млрд.л. обезвоженного + 18.68 млрд.л. необезвоженного = всего 27.8 млрд. литров этанола или +4.2 % к прошлому маркетинговому сезону в 26.68 млрд.л. (2008/09 МГ).

В 2010 году ожидалось увеличение выпуска этанола к 2009 г. на 14 % до 28.4 млрд.л. и сахара на 15 % до 38.2 млн.т. Несмотря на рекордное производство этанола, его экспорт останется на низком уровне и был на 46 % меньше, чем в 2009 году. В 2009 году Бразилия экспортировала 3.296 млн.л. этанола против 5.7 млрд.л. в 2008 году. За 8 месяцев 2010 экспорт этанола составил в 1.14 млрд.л. по сравнению с 2.28 млрд. за тот же период 2009 года.

Производителей сахара, биоэтанола и биоэлектричества в Бразилии объединяет ассоциация UNICA (Brazilian Sugarcane Industry Association). Из 440 сахарных заводов в Бразилии (в 2006 – 425) большинство включает этанольное производство, что означает высокую гибкость предприятия между выпусками сахара и этанола.

Приблизительно 100 из 440 заводов производят исключительно биоэтанол и биоэлектричество, но никакого сахара. Большая часть этанольных производств или 91.3 % сконцентрированы в Южно-Центральном регионе страны. Эта область включает штат Сан-Паулу, где сосредоточено 60.7 % этанольного производства страны. Остальная часть или 2.4 млрд. л этанола производится в Северо-Восточном регионе Бразилии.

Бразильская этанольная отрасль очень отличается от этанольной индустрии США, и не только за счёт использования различного сырья (сахарный тростник и кукуруза). В Бразилии производится и продаётся потребителям два вида этанола – обезвоженный и гидратный (не обезвоженный) этанол. Обезвоженный этанол, который является в США стандартом, содержит приблизительно 0.5 % воды в объёмном измерении и смешивается с бензинами для топливного использования. Гидратный этанол имеет 5 % содержание воды. Состав транспортных средств на дорогах Бразилии сильно отличается от традиционных рынков. В 1984 году более 94 % авто могли сжигать только обезвоженный этанол. В 2003 году на рынке Бразилии были представлены FFV средства. Сегодня большинство средств в Бразилии FFV (приблизительно 90 %) могут ездить и на Е100 – чистом этаноле, и на любой из этих двух видов смесях. Требуется подчеркнуть, что весь бензин в Бразилии имеет хоть какое-либо содержание этанола.

Тенденции.

С 1990 по 1996 производство этанола поддерживалось на уровне 11–12 млрд. литров. После двухлетнего подъёма в 1997–1998 годах производство составило 15.3 млрд. литров. С тех пор в Бразилии наблюдался устойчивый рост этанольной отрасли вплоть до сегодняшнего дня, когда страна достигла уровня производства 27.5 млрд. литров (21.83 млн. тонн). Производство этанола с 2002 года более чем удвоилось. Однако рост начал замедляться и UNICA в течение текущего сельскохозяйственного сезона построила ещё 10 новых заводов по выпуску этанола, хотя темпы строительства замедляются: 19 в прошлом сезоне против 25–30 новых заводов в предыдущие годы.

Приток иностранного капитала в сахароэтанольную отрасль Бразилии увеличился, особенно в 2010 году. В середине 2007 года иностранный капитал удерживал 7 % долю индустрии, а к концу 2009 года иностранным капиталом управлялось 44 бразильских завода с объёмом переработки 590 млн.т. сахарного тростника, что составляет 14 % урожая 2009/10 МГ. За несколько первых недель 2010 года состоялись 4 главные сделки, в результате которых иностранный капитал управляет 22 % сахароэтанольных компаний. В данном расчёте не учитывается последняя сделка между Petrobras (Бразилия) и Tereos (Франция), представленным в Бразилии сахароэтанольной группой Acucar Guarani. Кроме этого, это и слияние компаний Brenco и ETH, в которых мажорным был местный капитал, но компания выкупила часть акций, находящихся в собственности иностранных компаний.

В феврале 2010 года подписали меморандум нефтяная компания Royal Dutch Shell Plc. и самый большой производитель сахара Cosan SA Industrio and Co-mercio, а 25 августа 2010 завершилось создание совместного предприятия Co-dexis (12 млрд. USD). Цель этого объединения – производство биоэтанола и электричества из сахарного тростника в Бразилии, а также экспорт этанола и сахара. Новое предприятие с производственными мощностями 2 млрд.л. этанола в год (23завода по переработке 60 млн.т. сахарного тростника в этанол и сахар) сформирует 3-го крупнейшего в мире производителя этанола.

Ежегодные продажи топлив через 4.500 АЗС, принадлежащих СП (2740 АЗС Shell + 1700 АЗС Cosan), составят 18 млрд. л. Ежегодные продажи компании оцениваются в 21 млрд. USD. Основная проблема, существовавшая в мировой отрасли биоэтанола до этой сделки, состояла в том, что большие нефтяные компании не желали вкладывать деньги в биотопливо.

Процесс поглощения нефтяными компаниями производителей этанола начался и будет только усиливаться.

В марте 2010 г. Tereos (Франция), третий по величине после немецких Suedzu-cker and Nordzucker сахарный производитель Европы, объявила о перегруппи-ровке своего ключевого международного бизнеса и перемещении международных IPO активов на биржу в Сан-Пауло. Tereos создал филиал Tereos Internacional, который должен был иметь ежегодные продажи 2.5 млрд. USD с EBITDA 366 млн. USD.

Приток иностранного капитала в Бразилию – это результат действий в промышленности страны, функционирующей свободно и без правительственного управления. Это был верный путь повышения эффективности и производительности тростниковой индустрии, что могло произойти только в свободном рыночном окружении.

Процесс наращивания капитала в Бразилии продолжает увеличиваться. 10 сентября 2010 года компания Usina Serra de Caiap (штат Goias) объявила о том, что планирует вложить BRL 230 млн. (133 млн. USD) в расширение мощностей по переработке сахарного тростника для увеличения переработки до 1.2 млн. тонн. Бразильское правительство предоставило компании сроком на 15 лет налоговые стимулы, которые оцениваются в BRL 302.5 млн.

Американский химический магнат Dow Chemical выкупил 50 % акций у Crys-talsev и стал 100 % собственником завода по производству полиэтилена из биоэтанола в Santa Vitoria, штат Minas Gerais. Проект стоимостью 1 млрд. USD должен ежегодно производить 350.000тонн полиэтилена, производимого из этанола. Строительство проекта было начато в 2007 и планируется к запуску в 2011 году.

Обобщая вышесказанное, можно констатировать, что этанольная отрасль Бразилии, получив огромные финансовые ресурсы, при правильной государственной политике, а также учитывая конкурентоспособность бразильского этанола (см. Табл. 10-5) в настоящее время имеет все шансы на мировое доминирование. Главным показателем в структуре себестоимости этанола является сырье и в данной ситуации сахарный тростник Бразилии, который составляет 67.7 % в себестоимости этанола, вне конкуренции с кукурузой США, пшеницей и сахарной свеклой Германии.

Таблица. 10-5

Конкурентоспособность бразильского этанола (евро/100 л) по сравнению с этанолом США и Германии

Биодизель из кофе.

В Бразилии запатентованы способы производства биодизельного топлива из низкокачественных сортов кофе, из городских поверхностных стоков масел или из отходов животноводства. [10–87].

В Бразилии существует система добровольных добавок в дизельное топливо (В-2) 2 % биотоплива.

Эта система требует около 800 млн л биотоплива в год. С 2008 г. примесь биотоплива станет обязательной, а пропорция добавок возрастет до 5 % в 2013 г. когда общее потребление биотоплива достигнет 2,5 млрд л в год. Кофейные зерна низкого качества, составляющие около 20 % от валового урожая кофе, предлагаются как альтернативное сырье для производства биодизеля. Но предстоит перенести эксперимент на промышленный уровень и проверить рыночную привлекательность продукта. Это намечалось сделать в2007 г.

Остается неясной экономическая оправданность проекта, поскольку кофе стоит дороже биодизельного топлива, из него полученного. К тому же низкосортные зерна охотно покупаются в мире. Однако биодизель из кофе стоит все же дешевле продаваемых сейчас сортов.

Из 100 кг кофе можно получить 12 кг масла, которое перегоняется в 9 кг биодизельного топлива.

В общем-то по ограниченности материала кофейные бобы сравнимы, например, с соевыми, однако производство биодизеля из кофе стоит дешевле.

Биодизель из городских стоков. Городские стоки дают «хорошее сырье» для биодизеля, но для их переработки обязательно необходимо разрешение местных санитарных властей. В целом переработка городских стоков может происходить непрерывно и приносить в добавок пользу окружающей среде. Использование этих отходов, несомненно, оздоровит Бразилию, потому что свыше половины населения страны близко соприкасается с загрязненными сточными водами. Теоретически национальное производство альтернативного топлива из городских стоков может достигать 1,5 млрд л в год, однако реально можно рассчитывать только на 40 % этого объема, потому что именно столько собирается в настоящее в санитарных системах.

Производство других видов биотоплива из отходов кофе.

Оставшиеся отходы могут быть превращены в брикетное топливо для печей, каминов и котлов.

Учитывая, что сеть кафе Starbucks выбрасывает в США 96 тысяч тонн кофейной гущи ежегодно, исследователи установили, что из этого количества можно выработать 40 тысяч литров биодизеля и 80 тонн брикетного топлива. За вычетом себестоимости и после торговой наценки цена нового вида биодизеля составит примерно три цента за литр и 225 долларов за тонну брикетного топлива, расчетная прибыть от продажи может составить до 8 миллионов долларов.

Таким образом, образуется замкнутый круг полностью безотходного производства.

Одно из главных преимуществ биодизеля – более низкая цена по сравнению с другими источниками энергии. Чтобы снизить цену производства биодизельного топлива многие промышленные предприятия используют отходы переработки нефти и газа и остатки масла после жарки продуктов в промышленных масштабах.

Исследователи из отдела исследований химических материалов Невадского университета (США) полагают, что биодизельное топливо из кофейной гущи будет удовлетворять всем существующим к таким видам продукции требованиям. [10–87].

 

10.9.16. Китай

Рынок биотоплива в Китае по итогам 2010 года составил 2342 тыс. тонн. [88].

Китай относится к наиболее перспективным региональным рынкам биотоплива. В настоящее время страна испытывает беспрецедентный рост парка автотранспорта. При этом уровень обеспеченности страны собственными ресурсами нефти недостаточен для удовлетворения текущих потребностей в топливе, что делает Китай крайне зависимым от импорта в страну нефти и нефтепродуктов.

Одним из путей по снижению зависимости страны от импорта нефти, а также снижению антропогенной нагрузки на окружающую среду является реализация китайским правительством масштабной программы, направленной на увеличение производства в стране различных видов биотоплива.

Объем производства биотоплива в Китае демонстрировал устойчивый рост на протяжении последних пяти лет. Если в 2005 году объем рынка биотоплива в стране составил около 780 тыс. тонн, то к 2009 году этот показатель составил 2016 тыс. тонн. Оцениваемый объем рынка биотоплива в Китае по итогам 2010 года составляет 2342 тыс. тонн.

Биотопливо – будущее Китая [10–89].

К реализации масштабной программы развития биотопливной промышленности приступило правительство Китайской Народной Республики. Программа инвестируется из средств государственного бюджета и капиталовложений частных лиц.

Согласно проекту, ежегодное производство топливных гранул (до 50 млн. тонн) Китай намерен увеличить к 2020 году. Для этого в стране каждый год будет на биотопливе строиться до тридцати новых электростанций мощностью 25 МВт каждая.

Основным сырьем для производства должна стать энергетическая древесина, которую будут получать за счет специальных быстрорастущих посадок деревьев. Подсчитано, что этот материал сможет обеспечивать ежегодно 350 млн. тонн древесного биотоплива.

Сегодня Поднебесная потребляет самое большое, по сравнению с другими странами мира, количество угля. В атмосферу, соответственно, выбрасывается рекордное количество углекислого газа. Переход энергетической отрасли страны на биотопливо позволит существенно сократить выбросы парниковых газов.

Топливные гранулы предназначены для внутреннего использования, а также для экспорта на рынки азиатских и европейских стран.

Китай перейдет на биотопливо из соломы [10–90]. (Китайским ученым удалось создать топливо для двигателей внутреннего сгорания с использованием рисовой соломы и другой биомассы в качестве сырья.

Исследования были проведены в Институте физико-химической техники Академии наук Китая. С использованием новых технологий были проведены эксперименты на 15 видах биомассы, включая рисовую и пшеничную солому, стебли хлопка, бобов, кукурузы, батата, ореха и масличных культур, а также листья, древесные опилки и шелуху… По теплотворности синтетическое топливо не уступает стандартному дизельному топливу. В Китае ежегодно производится 720 млн тонн различных видов соломы, что является сырьевой гарантией для производства органического топлива.

Китай делает ставку на целлюлозное биотопливо.

В Китае будет построена установка по производству целлюлозного биотоплива [10–91]. Компании COFCO, Sinopec и Novozymes подписали меморандум о взаимопонимании, связанный с планами компаний развивать в Китае промышленное производство биотоплива из целлюлозного сырья.

В рамках соглашения COFCO и Sinopec построят опытную установку по выпуску целлюлозного этанола, a Novozymes будет поставлять для установки ферменты. Новая установка мощностью 3 млн галлонов биоэтанола введена в строй в 3 квартале 2011 года. Сырьем для производства топлива – отходы переработки кукурузы. В феврале Novozymes начала производство нового фермента СеШс* СТес2, который, по данным компании, позволяет производить целлюлозный этанол по цене, сравнимой с ценой бензина и обычного этанола.

Китайская национальная нефтехимическая корпорация /"Синопек"/ разработала первый в стране продукт в области авиационного биотоплива. Китай ежегодно потребляет приблизительно 20 млн тонн авиационного топлива. В частности, "Синопек" обеспечивает 70-процентное внутреннее производство авиакеросина. Сообщается, что "Синопек" сейчас также активно работает над поиском новых сырьевых материалов для производства биотоплива авиации, включая масло из кухонных отходов и морскую водоросль.

БИОТОПЛИВНАЯ ЭКСПАНСИЯ КИТАЯ.

У китайских инвесторов есть целая масштабная программа модернизации спиртовых заводов в Украине с переводом их на производство биоэтанола. Возможная сумма инвестиций – $120 млн.[10–92].

КИТАЙ И США БУДУТ СОТРУДНИЧАТЬ В ВЫПУСКЕ БИОТОПЛИВА.

Крупнейшая в Китае производитель яиц компания Дэцинъюань заявил о планах по сотрудничеству с американским производителем и поставщиком свиного мяса Smithfield Foods. В течение 10 лет компании вложат в создание совместного предприятия по выпуску биотоплива в США $1,8 млрд.

Указанные агрокомпании создадут совместное предприятие через свои филиалы. Таким образом в сделке будут участвовать Пекинская биоэнергетическая компания Helee и американская Murphy-Brown.

Благодаря технологиям Helee новая компания до конца 2012 г. приступит к производству биогаза. Это топливо пойдет на выработку электроэнергии. Как ожидается, объем выпуска газа составит 3,5 млн куб. м ежегодно. Благодаря использованию этого топлива, будет ежегодно вырабатываться 7 млн кВтч электроэнергии. Мощность будущей электростанции на биотопливе составит 1 МВт. При этом после реализации проекта выбросы углерода сократятся на 42 000 т в год.

Добавим, что компания Smithfield Foods – один из крупнейших в США производителей и поставщиков свиного мяса. На его долю приходится 22,5 % американского рынка. Компания Дэцинъюань обеспечивает 45 % поставок яиц китайским потребителям. При этом китайском предприятии под Пекином работает электростанция, которая ежегодно вырабатывает 14 млн кВтч электричества.

КИТАЙ ДЕЛАЕТ ПЕРВЫЕ ПОЛЕТЫ НА БИОТОПЛИВЕ.[10–93].

Рис. 10–28. Air China Ltd самолет заправляется смесью авиационного топлива и биотоплива в Пекине.

Китай будет использовать 12 млн тонн биотоплива в авиации к 2020 году, что составляет 30 процентов от общего потребления в стране авиационного топлива

Рыночная стоимость биотоплива струи превысит 120 млрд юаней ($ 19 млрд) к 2020 году. В настоящее время Китай потребляет около 20 млн тонн топлива для реактивных двигателей в год.

Китайская нефтехимическая корпорация Sinopec Group, которая производит 73 процента от объема производства в стране топлива для реактивных двигателей, объявила, что успешно начала производить биотопливо на химическом заводе в городе Ханчжоу, провинция Чжэцзян.

Конкурент компании Sinopec Китайская национальная нефтяная корпорация, крупнейший производитель нефти в стране помогла Air

Топливо были извлечены из несъедобных растений ятрофа, который выращивается в Юго-Западном Китае.

Китайская национальная нефтегазовая корпорация планирует построить завод по производству 60 000 тонн биотоплива в год к 2014 году.

Китай делает первые полеты на биотопливе.[10–93].

Один из Боингов 747–400, двигатели которого работали на смеси 50–50 зеленого топлива Jet компании Honeywell и нефтяного авиатоплива, совершил демонстрационный полет нал Пекином… Биотопливо была получено из ятрофы, выращенной на плантации в юго-западном Китае, принадлежащей государству нефтяной компании PetroChina.

Компания Honeywell работает с PetroChina, Air China и Boeing для создания инфраструктуры авиационного биотоплива в Китае.

О запуске совместной разработки биотоплива для самолетов сообщили компании из Китая и США. Данное топливо будет создаваться на основе водорослей и масличных орехов.

Со стороны Китая в новый консорциум вступят некоторые правительственные агентства США и компания Boeing, со стороны Китая такие государственные компании, как Air China и PetroChina, а также ряд других.

Предполагалось, что уже в 2010 году будет совершен первый полет с использованием нового топлива. А уже через 3–5 лет разработки начнут внедрять для гражданской авиации. [10-105,10–94].

Согласно масштабной программы развития биотопливной промышленности ежегодное производство топливных гранул (до 50 млн. тонн) Китай намерен увеличить к 2020 году. В стране каждый год будут строиться до тридцати новых электростанций мощностью 25 МВт каждая на биотопливе.[10–95].

Биотопливо в Китае рассматривается не только как альтернатива нефти, но также как катализатор экономического роста.

Эксперты Института ядерных исследований, Университета Цинхуа полагают, что "Биотопливная промышленность является интегрированной системой, которая может управлять развитием целого ряда других отраслей, включая сельское хозяйство, производство химикатов, пластмасс, автомобилей, энергетики, транспорта и услуг, помогая повысить внутренний спрос "В отличие от других отраслей промышленности, биотопливо помогают поддерживать социальную стабильность путем решения ряда связанных с сельским хозяйством вопросов, включая повышение доходов фермеров и создание рабочих мест для миллионов фермеров».

Китайское правительство будет уделять приоритетное внимание развитию биотоплива в качестве альтернативы нефти, которая является частью национальной стратегии развития энергетики, а также принять ряд мер по поддержке развития отрасли биотоплива.

Национальной комиссии развития и реформ и Министерства сельского хозяйства и финансов опубликовало план комплексного использования урожая стеблей на 12-ю пятилетку по содействию индустриализации производства целлюлозного этанола и увеличению использования стебля до 30 процентов. Отраслевые аналитики подчеркивают, что такая политика обеспечила новые возможности для развития китайского непродовольственного сектора топливного этанола. [10–96]. В 2011 году импорт нефти составил более 55 процентов от общего объема потребления нефти в Китае. В условиях продолжающегося роста мировых цен на нефть, рынок для импорта нефти столкнулся со многими неопределенностями в связи с ядерным кризисом в Иране и увеличение загрязнения воздуха, вызванного выбросами выхлопных что вредит здоровью человека. Поле сладкого сорго площадью 660 квадратных метров способно производить около одной тонны этанола, и автомобиль, работающий на биотопливе сокращает выбросы CO2 более чем на 30 процентов. Правительство КНР планирует расширить производство биотоплива с производственными базами в районе Внутренняя Монголия и Синьцзян, двух регионах со значительным ресурсом солнечного света и тепла, пригодных для посадки сахарного сорго, а также в регионе Бохай Рим, где производственная база в пять миллионов тонн топливного этанола может быть построена..[10–96].

Китай относится к наиболее перспективным региональным рынкам биотоплива.

Китай выделил субсидии в общей сложности 115 млн. долл. США, что примерно 0,40 доллара США за литр, для производства биотоплива в 2006 году. Всего поддержка, как ожидается, составит около юаней 1,2 млрд. долл. США к 2020 году. [10–97].

Строительство электростанций станции на биомассе. Китай будет строить электростанций на биомассе с общей мощностью 30000 МВт к 2020 году. Для достижения этой цели, строительство станций начали во многих местах Китая, большинство из которых в соответствии с МЧР (Механизм чистого развития). Среди них проект провинции Цзянсу выглядит выдающимся с точки зрения суммарной мощностью электростанций в том числе по плану.

Электростанции в Баотоу и Neimenggu, были запущены в апреле 2009 года. Завод в Баотоу мощностью 25 МВт был проинвестирован в объеме 147 млн. долларов США, то есть, 5,88 млн. долл. США за 1 МВт.

Первый завод был построен в провинции Шаньдун и введен в эксплуатацию в декабре 2006 года. Завод имеет мощность 25 МВт, потребляя 150 000 ~ 200 000 тонн биомассы в год, а ее стоимость строительства составила 35,7 млн. долл. США.

Энергетическая компания Ухань Kaidi строит пятьдесят электростанций на биомассы в семи провинциях: Хубэй, Хунань, Шаньси, Фуцзянь, Цзянсу, Цзян-си и Аньхой. Каждая электростанция будет иметь мощность 12 МВт, а также поставлять 7200000000 кВтч в год до 70000 домохозяйств. WKEPE Компания также представила план о том, что электрические системы передачи и распределения для районов было поручено компании General Electric в июне 2008 года. Потребляя лесную биомассу, китайские компании будут проводить лесовосстановление на площади 4000 км 2 до 2013 года на сумму 3 миллиарда китайцев юаней (39 млрд иен).

Рис. 10–32. Мощности генерирующих мощностей на Биомассе в каждой провинции в Китае

Китай стремится содействовать развитию своей отрасли биотоплива с помощью ряда мер поддержки, несмотря на массу трудностей производства. Китайское правительство поставило перед собой цель использовать пять миллионов тонн топливного этанола в «12-й пятилетке», охватывающей 2011 по 2015 год, что почти вдвое больше, чем в предыдущий период (2006–2010). [10–96].

Одним из традиционных и важнейших направлений китайской биоэнергетики является производство биогаза.

В современном Китае действует более 20 миллионов крестьянских биогазовых установок с ежегодным производством 14.6 млрд. куб. м и замещением в год более 10 млн. ту.т. и несколько десятков тысяч более крупных биогазовых систем при промышленных предприятиях перерабатывающей промышленности, сельхозпредприятиях и в коммунальном секторе.[10-3].

Китай переходит к созданию крупных современных биогазовых станций на отходах животноводства и птицеводства.

Национальная биоэнергетическая компания Китая (NBE) – крупнейшая госкомпания КНР, специализирующаяся на комплексном развитии и утилизации биоэнергии. В штате компании трудятся более 3 млн человек.[10–98].

 

10.9.17. Австралия

Австралийская компания «Licella», занимающейся поиском альтернативных источников энергии, предложила эффективный способ переработки сельхозотходов в автомобильное топливо.[10-106].

Для того, чтобы превратить биомассу в топливо, используя технологию каталитической гидротермальной реакции, понадобится всего полчаса. «Разработанная методика позволяет быстрее, чище и с максимальной экономической выгодой отрабатывать биологические отходы», и является единственной в мире.

Одной из первых компаний, которая проявила интерес к новому виду топлива, стал авиаперевозчик Virgin (Австралия).

Компания Licella совместно с компанией Norsk Sko объявила об открытии демонстрационной установки по производству топлива Licella Fibre для коммерциализации технологий, а также объявила о меморандуме о взаимопонимании с авиакомпаниями Virgin Австралии и Air New Zealand, чтобы развивать авиационное топливо из биомасло Licella.

Авиакомпания Virgin (Австралия) подписала сегодня меморандум о взаимопонимании для работы с компанией Licella по изучению возможности CAT-HTR технологии для создания альтернативного, устойчивого источника топлива реактивной авиации.

В соответствии с МОВ, компании Virgin и Licella будут совместно исследовать потенциал CATHTR через дальнейшее тестирование авиационного топлива технология позволяет, с целью поддержки его сертификации и достижения коммерческого отвода соглашения.

Air New Zealand также объявила, что подписала меморандум о взаимопонимании (МОВ) с Licella Pty Ltd для изучения развития и коммерциализации процесса преобразования древесной биомассы в биотопливо устойчивой в Новой Зеландии.

В соответствии с МОВ Air New Zealand и Licella будут совместно исследовать потенциал технологий производства биотоплива устойчивого авиации в Новой Зеландии.

Технология Licella.

Licella разработала уникальный процесс с использованием каталитического гидротепловых реакторов (Cat-HTR), которые преобразуют древесные материалы и другую биомассу в высококачественную биоуглеводороды.

Этот процесс был разработан в течение последних трех с половиной лет в пилотной установке Licella в Somersby на Центральном побережье Нового Южного Уэльса под руководством профессора Томаса Maschmeyer из Университета Сиднея.

Субсидии на производство биотоплива в Австралии.

Правительство Австралии потратило $ 95 млн на поддержку производства и потребления биотоплива в 2006-07 годах… Эта цена выросла до нескольких сотен миллионов долларов в год к концу десятилетия. В настоящее время на биотопливо приходится менее 0,5 процента от потребностей транспортного топлива в Австралии.[10–99]. Биогазовая установка на Молокозаводе в Австралии.

Подробная информация 1. Адрес предприятия: Электростанция данного молокозавода располагается в Виктории, Австралия. 2. Вид газа: Биогаз 3. Вид генераторной установки: 500GF1-PWZ, 260GF-PWZ 4. Количество генераторных установок: 2 5. Вырабатываемая электроэнергия: 0.76 МВт 6. Начало работы: Данное предприятие начало свою работу в 2008 году.

Данная электростанция использует в качестве топлива биогаз, который, в свою очередь, вырабатывается от молокозавода. Данная продукция является первым уровнем данного завода.

Электростанция в Австралии.

Подробная информация 1. Адрес предприятия: Данная электростанция располагается около скотобойни, Брисбен, Австралия. 2. Тип газа: Сырный биогаз 3. Вид генераторной установки: 500GF1-PWZ 4. Количество генераторных установок: 1 5. Вырабатываемая электроэнергия: 0.5 МВт 6. Начало работы: Данное предприятие начало работать в 2008 году.

Данная электростанция использует в качестве топлива биогаз, готовый вырабатывается при переработки органического мусора в скотобойнях.

 

10.9.18. Индонезия

Общая сумма расходов правительство индонезийского правительства для развития биотоплива в период с 2006 по июнь 2008 года составил до 1,6 млрд. долл. США. Фактический размер субсидий, скорее всего, были в районе 200 млн. долл. США.[10-100].

 

10.9.19. Таиланд

Таиланд занимает 3-е место в мире по объемам производства пальмового масла[101].

Согласно данным министерства сельского хозяйства США, мировые объемы производства масличных семян достигли 440,9 млн тонн в 2009–2010 году – таким образом, мировое производство выросло на 11 % по сравнению с предыдущим годом. США, Бразилия и Китай являются крупнейшими производителями масличных культур. Основной масличной культурой по праву считают союей принадлежит 57 % от общего объема производства. В 2009–2010 годах объемы выпуска сои достигли 259,2 млн тонн. Крупнейшим поставщиком данной культуры является США, основными импортерами – Китай и страны ЕС. Таиланд также является крупным импортером – четвертым после Китая, Германии и Мексики, вследствие постоянно расширяющегося спроса и небольших объемов производства внутри страны. Внутреннее производство сои в стране находится на незначительном уровне и удовлетворяет около 10 % спроса на местном рынке масличных культур. Тем временем прогнозируется, что закупки на рынке сои в Таиланде возрастут на 9 % – до 1,98 млн тонн в 2010–2011 годах. В конце 2010 года предприятия Thai Vegetable Oil Co. (TVO) и Thanakom Vegetable Oil Products Co. (TVOP) собираются запустить новые мощности на обрабатывающих заводах. Такое расширение снизит стоимость производства, что приведет к более устойчивому положению обоих предприятий как на внутреннем, так и на мировом рынке соевого масла. Структура отрасли по производству соевого масла в Таиланде приобрела олигополистический характер – из 10 работающих здесь предприятий, TVO и TVOP обрабатывают 90 % выращиваемой в стране сои. Мелкие предприятия испытывают трудности из-за ограниченного финансирования, колеблющихся цен на соевые бобы. Многим пришлось снизить уровни производства, некоторые из них используют менее 50 % мощностей. Пальмовое масло является вторым в мире по масштабам производства, после соевого. Таиланд занимает 3-е, после Индонезии и Малайзии, место по объемам производства пальмового масла. В данной отрасли задействовано около 512 тыс га площади. 1 га обеспечивает производство 4–5 тонн пальмового масла, что в 5-10 раз больше, чем для других масличных культур. Таиланд планирует значительно расширить производство биотоплива за счет расширения пальмовых плантаций. Кроме того, Таиланд является одной из 10 основных стран-производителей кокосового масла, и является четвертым крупнейшим поставщиком копры. Около 1/3 выращиваемых в стране кокосов используется в пищевой промышленности, из оставшихся 2/3 получают копру. По данным министерства сельского хозяйства США, Таиланд производит 72 тыс тонн копры ежегодно.[10-102].

Биогазовая электростанция, работающая на пальмовом масле (Таиланд, Азия)[103].

Адрес предприятия: ASIANPALM является электростанцией, работающей на пальмовом масле в городе Краби, Таиланд. 2. Вид газа: Биогаз 3. Тип генераторной установки: 500GF1-RZ 4. Количество генераторных установок: 2 5. Вырабатываемая электроэнергия: 900 кВт 6. Начало работы: Первая генераторная установка начала работу в июле в 2006 году. 7. Вторая генераторная установка начала работу в марте в 2007 году.

Данная биогазовая электростанция, работающая на пальмовом масле преобразует пальмовое масло в электрическую мощность. Вся Вырабатываемая электроэнергия подключается к электрической сети общего пользования.

 

Литература

10-1. Третьяков В.Ф., Использование биоэтанола в качестве альтернативного сырья для нефтехимии., www.rusnauka.com.

10-2. Панцхава Е.С., Биоэнергетика – самостоятельная часть современной энергетики., ж. В мире науки., www.prometeus.nsc.ru.

10-3. Панцхава Е.С. и др., Биогазовые технологии, МГУИЭ, Москва, 2008, 217 стр.

10-4. БИОМАССА(ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ).,

www.ecomuseum.kz.

10-5.Технологии производства биотопливо из микроводорослей., www.chevron.com.

10-6. Next Big Bio-Fuel – ALGAE.,

10-7. Презентация компании "Биодизельднепр".,

www.biodiesel.dp.ua.

10-8. Проект – «Эйхорния». Эйхорния – уникальная водоросль: «очистные сооружения» и биотопливо., www.allinnovations.ru.

10-9. Компания БИОЭНЕРГОМАШ.,

10. Китайские инвесторы вложат $120 млн. в производство биотоплива zr2000.com.ua.

10-11 Государственная поддержка для этанола и биодизеля в США., www.bioethanol.ru.

10-12. Американцы ставят на синтетику., www.gazeta.ru.

10-13. Биомасса ползет в бак., www.m.expert.ru.

10-14. РБК Экономика. top.rbc.ru.

10-15. Альтернативное топливо., www.

10-16. Chipping Away – The Site Selection Energy Report., www.siteselection.com.

10-17. Биотопливо: шаг вперёд с оглядкой в прошлое. www. RosInvest.com.

10-18. Генри Форд – создатель компании Форд Мотор Компани – Бизнес. Бизнес в массы! www.bizataka.ru.

10-19. Making your own E-85., www.

10-20. Oklahoma BioRefining Corporation: Industry.,

www.oklahomabiorefining. com.

10-21. Ethanol Producer Magazine | EthanolProducer. www.ethanolproducer.com.

10-22. Forest residues., www.sciencedirect.comScienceDirect.com.

10-23. Agricultural and forest residues – generation, utilization and availability, www.fao.org.

10-24. Agricultural residues (crops)., www.fao.org.

10-25. Биодизельная война между Европой и США.,

10-26. Lenta.ru: Наука и техника: У использованных кофейных зерен нашли… www.lenta.ru

10-27. США приступили к разработке биотоплива нового поколения, www.dniimf.ru.

10-28. Pentagonus, Владимир Щербаков, www.vpk-news.ru.

10–29. Эскадренные миноносцы типа «Арли Бёрк» – Википедия., ru.wikipedia.org.

10-30. Offshore Membrane Enclosure for Growing Algae (OMEGA) | NASA…www. lunarscience.nasa.gov.

10–31. Американские военные перейдут на альтернативное топливо…, www.;topwor.ru.

10-32. Главное., biofuel., www.lenta.ru.

10–33. Автотранспорт ВМС США переходит на биотопливо., www.flot.com.

10-34. Истребители F-16 проверят биотопливом.,

www.aviaport.ru.

10-35. Фрегат ВМС США тестирует биотопливо из водорослей., www.rnd.cnews.ru.

10-36. Китай и США займутся разработкой биотоплива для самолетов., www.intemet.bibo.kz.

10-37. budet_proizvodit_biotoplivo_dlya_aviatsii_ usa.,_ www.cleandex.ru.

10-38. "Лента. Ру"

10-39. Вся нефть на Земле произошла от одной водоросли., www.rnd.cnews.ru.

10-41. Биотопливо – какой ценой? Государственная поддержка для этанола и биодизеля в СШАwww. д^ю^.

10-42. В США создают новую технологию получения биотоплива. www.autokadabra.ru.

10-43. В США созданы скоростные поезда на биотопливе., www.ecocluster.ru.

10–44. Government Support for Ethanol and Biodiesel in Selected OECD Countries., www.iisd.org.

10-45. Лидеры стран ЕС утвердили новую климатическую программу до., www.climatechange.ru.

10–46. ЕС может освободить землю для биотоплива., www.articles.economictimes.indiatimes.com.

10-47. В ЕС повышаются объёмы импорта биодизеля., www.Cleandex.ru.

10-48. Biodiesel as an alternative motor fuel, Production and policies in the…, www.sciencedirect.com.

10–49. Мировой рынок биодизеля: стагнация или новый рывок?. www.Cleandex.ru.

10-50. Энергетический налог: первая попытка – UA Energy.,

10-51. Биомасса ползет в бак., m.expert.ru.

10-52. The Global Potential of Bioenergy on Abandoned Agriculture Lands www.faculty.ucmerced.edu.

10-53. Опубликован ежегодный отчет об использовании биотоплива в Европе… www.lenles.info.

10-54. Биотопливо в Европе. Итоги 2010 года., www.cleandex.ru.

10–55. Европейский рынок биотоплива в 2009 году.,

10-56. ЕС: Производство и потребление биоэтанола продолжат расти – Зерно… www.zol.ru.

10-57. Биоэнергетика сегодня. Развитие биоэнергетики в разных странах. www.AlternativEnergy.ru.

10-58. Биогазовая энергетика: опыт ЕС., www.biogas-energy.ru.

10-59. Европейская система регулирования и квоты на биотопливо www.bioethanol.ru.

10-60. Biofuels – at what cost? Government support for ethanol and biodiesel in the European Union. Retrieved from., www.iisd.org.

10-61. В ЕС повышаются объёмы импорта биодизеля, www. cleandex.ru

10-62. Далеко идущие планы Финляндии в вопросах биотоплива., www.biodiesel.org.ua.

10-63. Биотопливо в Швеции, www.en.wikipedia.org.

10-64. Возобновляемые и устойчивые источники энергии., www.elsevier.com.

10-65. Энергетика: Энергия для устойчивого будущего – SWEDEN.SE www.sweden.se/ru.

10–66. Каким будетавиационноетопливобудущего?

www.safran.ru.

10-67. Инновационная технология., www.1prime.ru.

10-68. Source: Neste Oil, 21– 09-2011.Neste Oil, 21 – 09-2011. Further information: www.translate.googleusercontent.com.

10-69. (Биотопливо – альтернативный вид топлива.,

10-70. Королевские ВВС Нидерландов продемонстрировали вертолет Apache на биотопливе.,

10-71. BIOFUELS – AT WHAT COST ? Government support for ethanol and….www.iisd.org.

10–72. Biofuels – At What Cost? Mandating ethanol and biodiesel…,www.iisd.org.

10–73. Biofuels – At What Cost – International Institute for Sustainable ….www.iisd.org.

10–74. Разработка биотоплива вариант политики 12 ноября 2008., www.economictimes.com.

10-75. Индия, США совместное $ 125 млн фонд для исследований в экологически чистую энергию.,

articles.economictimes.indiatimes.com.

10-76. IOC Faridabad unit to pump in bio-fuel; R&D unit gearing to reduce pressure on conventional fuel., www.economictimes.com.

10-77. How Chennai startup is using seaweed to drive India's biofuel thrust…

articles.economictimes.indiatimes.com.

10–78. Wanted: An ethanol policy – Economic Times – Featured Articles…articles.economictimes.indiatimes.com.

10–79. Ethics of ethanol – Economic Times., arti-cles.economictimes.indiatimes.c.

10-80. Nitin Gadkari for uniform policy on ethanol-blending with petrol…, articles.economictimes.indiatimes.com.

10-81. Govt mandates ethanol blending in petrol – Economic Times.,

articles.economictimes.indiatimes.c..

10-82. В Индии биотопливо предполагают получать из семян мадуки и шореи…energobelarus.by.

10-83. articles.economictimes.indiatimes.com.

10–84. Toyota Motor Corporation eyeing using new biofuel for cars by 2020., www.economictimes.com.

10-85. Вагиф Мирзоев, Евгений Пущик: Бензин и этанол – мировые перспективы… www.infobio.ru.

10–86. Биодизельное топливо завоевывает Бразилию.,

www.minera1.ru.

10–87. Ученые создали топливо из кофейной гущи – ForUm for-ua.com.

10-88. Рынок биотоплива в Китае по итогам 2010 года составил 2342 тыс. тонн. www. abercade.ru.

10–89. Китай активнее переходит на биотопливо – Премьер ЭЛЕКТРО., www.pr-e1.ru.

10–90. www.autonews.ru.

10-91. В Китае будет построена установка по производству… – Abercade www.abercade.ru.

10–92. Китайские инвесторы вложат $120 млн. в производство… www.anyfoodanyfeed.com.

10–93. Boeing и Airbus изучают биотопливо в Китае., www.ato.ru.

10-94. Chinese airline partners with Boeing to make biofuel.,

www.wantchinatimes.com.

10–95. Биотопливо – будущее Китая., www.pr-el.ru.

10–96. Lu Yuanyuan, Renewable energy, www.wor1d.com.

10-97. Government support for ethanol and biodiesel in China.,

www.iisd.org.

10–98. Национальная биоэнергетическая компания Китая (NBE)., EnergyFuture.ru.

10-100. Government Support for Ethanol and Biodiesel in Indonesia., www.iisd.org.

10-101. Новости биотоплива / Таиланд занимает 3-е место в мире……www.bioethanol.ru.

10-102. Рынок масличных культур Таиланда: бизнес отчет 2010.,

10-103. Биогазовая электростанция, работающая на пальмовом масле (Таиланд, Азия)., www.generatorsets.ru.

10-104. Биоэнергетика России в ХХI веке., РЭА, Москва, 2012 г.

 

11.1. Авиация

 

Исследования в области производства и применения альтернативных моторных топлив в последнее время активно развиваются в разных странах мира. Одним из видов альтернативных моторных топлив являются биотоплива. [11-1].

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.

В 2010 году мировое производство жидких биотоплив выросло до 105 млрд. литров (86 млрд. л этанола и 19 млрд л биодизеля), что составляет 2,7 % от мирового потребления топлива на транспорте..

Европейская комиссия планирует довести к 2020 году вклад биотоплив до 10 %.

В Европе с 1 января 2010 года действует единый стандарт на биотопливо EN-PLUS.

Авиационное биотопливо, или biojet, является топливом, получаемым из биомассы и использующимся вместо или в смеси с керосином для реактивных двигателей для питания самолетов.[11-2].

В отличие от наземного транспорта реактивная авиация не имеет реальных альтернатив нефтяному жидкому топливу в обозримом будущем. Соответственно, гражданские и военные покупатели авиационного топлива находятся под усиливающимся давлением включения в авиацию биотопливных смесей. Разработка жизнеспособной цепочки поставок biojet в авиацию будет способствовать диверсификации поставок биотоплива из непродовольственных источников. [11-3].

Какое сырье является наиболее перспективным для производства авиационного биотоплива?

Виды сырья для авиабиотоплива варьирует в зависимости от географии и климата: рыжик, ятрофа, водоросли, и отходы.

Какова потенциальная возможность рынка?

На авиацию приходится до 12 % топлива, потребляемого всей транспортной отраслью, что эквивалентно примерно от 200 до 224 млн. т авиационного керосина год. Аналитики предлагаемого проекта показывают, что авиационное биотопливо заменит примерно 1 % от керосина к 2015 году, 25 % к 2025 году, и 30 % к 2030 году. Это представляет собой рыночную стоимость 2 млрд. долл. США, $ 56 млрд, а $ 68 млрд. соответственно, учитывая текущие цены на керосин. *

* Цена не учитывает будущих цен на нефть и экономию, связанную с углеродными кредитами. [11-4].

 

11.1.1. Финская компания NesteOil

Финская компания NesteOil поставила цель использовать биотоплива и другие ВИЭ в авиации в объеме 2 млн. тонн к 2020 г.

Авиакомпания Lufthansa (ФРГ) провела многолетние испытания авиабиотоплива – биокеросина и планирует полеты аэркрафта Airbus A321 по маршруту Гамбург-Франкфурт-Гамбург четыре раза в день. Один из его двигателей будет работать на 50/50 смеси регулярных топлива и биосинтетического керосина – продукта компании NesteOil, полчаемого из ятрофы, рыжика и животных жиров.

 

11.1.2. Шведская биотопливная компания «Swedish-Biofuels»

Шведская биотопливная компания «Swedish-Biofuels» имеет многолетний опыт в области исследований, разработки, демонстрации и внедрения альтернативных видов топлива для транспортной отрасли. Биотопливо AB, производимое этой компанией, полностью синтетическое и используется для реактивных двигателей. Технология основана на каталитическом синтезе смеси биоуглеводородов С-4 – С-20 из биоэтанола, получаемого из углеводов гидролизованной растительной биомассы.

Министерство обороны Швеции поручило компании «Swedish Biofuels» разработать топливо для истребителей JAS-39 Gripen на основе этанола, получаемого из древесины.

Рис. 11-1. Истрибитель JAS-39 Gripen[11-5].

Проект «Биотопливо для авиации» является частью шведско-американской программы сотрудничества по тематике альтернативных видов топлива. Разработка топлива для шведских истребителей ведется при участии правительств США и Швеции, а также компаний «СААБ», «Вольво Аэро» и «Дженерал электрик».

 

11.1.3. Биотопливо BtL – Biomass-to-Liquid

Биотопливо BtL – Biomass-to-Liquid (через синтез-газ) производится немецкой компанией «ChorunCarbo-V» из древесины и отходов деревообработки.

Преимущество этого вида топлива перед биоэтанолом и биодизелем состоит в том, что, в отличие от упомянутых продуктов, при производстве BtL древесина полностью перерабатывается.

По оценке немецких ученых, если BtL займет 20 % рынка ЕС, то в Европе можно уменьшить выбросы CO2 на 200 млн тонн.

Новозеландская компания Lanza Tech разработала технологию производства биоэтанола из сингаза отходящих газов дымовых труб крупных производств или при газификации любой биомассы, включая лигнин, далее получаемый биоэтанол посредством каталитического синтеза по технологии SwedishBiofuels превращается в углеводороды.

Указанный проект финансируется Министерством обороны США.

 

11.1.4. Технология компании Licella

Технология компании Licella (Австралия) основана на обработке любой биомассы термогидравлическим ударом при температуре в реакторе 30 °C и давлении 250 атм. Время обработки – 30 минут.[11-6].

Результатами исследований специалистов компании «Licella» заинтересовались крупные компании, например, авиаперевозчик Virgin (Австралия). Компания «Licella» планирует вести производство топлива в достаточно крупных масштабах не только в Австралии, но и в Новой Зеландии. Технология позволяет производить дизельное топливо, бензин, а также авиационное топливо.

Австралийская компания Norske Skog и компания Licella создали новое совместное предприятие, называнное Licella Fibre Fuels (LFF).

Технология Университета Висконсина (Медисон, США) основана на гидролизе любой биомассы до углеводов и каталитическое превращение их в авиационный керосин (С12 – С15)через левулиновую кислоту и гамма-валеролактон в присутствии металлсодержащих катализаторов.[11-7]

Каталитическая переработка гамма-валеролактона является ключом к будущим полетам и к замене природного углеводородного топлива на возобновляемое.

Разработанная методика позволяет извлечь из исходной биомассы до 95 % энергии и не требует больших количеств водорода.

В качестве сырья для получения данного эфира рассматриваются такие биологические объекты, как древесина, стебли и листва кукурузы, прутьевидное просо и другая непищевая биомасса.

 

11.1.5. Испытания летательных аппаратов на биокеросине

Использование авиационного биотоплива мировой гражданской авиацией.

Список ведущих мировых авиакомпаний, проведших успешные испытания биотоплив на многотоннажных воздушных судах и использующих эти топлива в постоянной эксплуатации: LUFTHANSA Boing; VIRGIN ATLANTIC Boing 747; KLM Boing 737–800; CZECH AIRLINES Аэробус А300; INTERJET Аэробус А320-214; FINAIR Аэробус А319; IBERIA Аэробус А320.

К 2016 году доля использования в ВВС США альтернативных видов топлива должна составить 50 %.

ВМС США. Управление по разработке морских систем ВМС (NAVSEA) США подготовило эсминец "Пол Фостер" типа "Спрюэнс" к плаванию на смеси биотоплива и дизеля, сообщает DefenseNews.

К 2016 году американские ВМС станут Великим Зеленым Флотом, сообщает официальный сайт ВМС США.

 

11.1.6. Промышленная экология

Расчет выбросов загрязняющих веществ от авиадвигателей гражданских воздушных судов.

Воздействие авиационного транспорта на окружающую среду Выхлопные газы ВС. В авиации применяется два вида нефтяного топлива – керосин и бензин. Основное отличие по составу продуктов сгорания состоит в том, что этилированный бензин, используемый на самолетах с поршневыми двигателями, дает в отработавших газах свинец, являющийся одним из нежелательных компонентов загрязнения воздушной среды Роль самолетов с поршневыми двигателями в современной авиации незначительна и постоянно уменьшается, поэтому целесообразно ограничить рассмотрение только продуктов горения керосина.[11-8]. Помимо двуокиси углерода, паров воды, азота, а также некоторых других естественных компонентов атмосферного воздуха, продукты горения керосина содержат окись углерода, различные углеводороды (метан CH4, ацетилен C2H6, этан C2H4, пропан C3H8, бензол C6H6, толуол C6H5CH3 и др.), альдегиды (формальдегид HCHO, акролеин CH2=CH-CHO, уксусный альдегид CH3CHO и др.), окислы азота NO и NO2, окислы серы, частицы сажи, создающие дымный шлейф за соплом двигателя и ряд других составляющих, образующихся в незначительных количествах из имеющихся в керосине примесей. Уровни содержания в атмосферном воздухе различных вредных веществ регламентируются предельно допустимыми концентрациями – ПДК. Стандартами США допустимый уровень концентрации углеводородов (суммарно) установлен равным 0,16 мг/м3 (в пересчете на эквивалентное количество метана). В авиации нормы предельно допустимых выбросов (ПДВ) устанавливаются в настоящее время по четырем вредным компонентам: окиси углерода (CO), несгоревшими углеводородами (СnHm), окислами азота (NОx), частицами сажи (дым).

 

11.1.7. Зелёное (Био-) топливо для авиации

В июле 2011 года Американское общество по тестированию материалов (ASTM) одобрило использование авиационного биотоплива. Таким образом, положено начало его коммерческому использованию, несмотря на то, что оно пока стоит в 2 раза дороже, чем обычный авиакеросин. Первая причина такова, что биотопливо производится в небольших объемах при больших затратах на производство. Согласно оптимистичным прогнозам, не более чем через 10 лет около 15 % всего потребляемого в авиации топлива будет приходиться на так называемый «зеленый керосин». А так же, по словам экспертов, отношение к биотопливу в скором времени может измениться.

Для этого существует три предпосылки.

Первая – рост цены на нефть вследствие сокращения имеющихся разведанных запасов. Тем же изменениям подвержено авиатопливо, так как на него приходится 30–40 % операционных расходов авиакомпаний. К примеру, в 2004 году British Airways потратила на керосин 1 млрд. фунтов, а сейчас – 4 млрд. фунтов. В то же время, еще как минимум 25–30 лет авиация проработает на жидком топливе, хотя в других отраслях возможно использование альтернативных источников энергии.

Вторая причина – это ужесточённые требования правительства ряда стран к использованию обычного керосина. Речь идёт о загрязнении окружающей среды в авиации. На самолеты приходится 600 000700 000 т выбросов углекислого газа в год (2 % от общего объема).

В-третьих, затраты на производства биотоплива будут снижаться вследствие удешевления сырья, на которое приходится около 70–85 % затрат, а так же за счёт увеличения объемов производства.

 

11.1.8. Самолетные выбросы (climate Institute)

Авиационные двигатели производят выбросы, аналогичные другим выбросам в результате сжигания ископаемого топлива. Тем не менее, самолетные выбросы необычны тем, что значительная часть выделяется непосредственно в верхней тропосфере и нижних слоях стратосферы, где они оказывают влияние на состав атмосферы. Это делает самолетные выбросы особенно мощными по сравнению с другими выбросами.

Три крупнейших в мире производителя авиалайнеров – европейская компания Airbus, американская Boeing, бразильская компания Embraer, выпускающие региональные лайнеры, подписали предварительное соглашение о сотрудничестве, направленном на создание новых, более экологичных видов авиационного топлива – совместно с компаниями – производителями биотоплива и при поддержке правительств стран мира.[11-9].

 

11.1.9. Авиация и изменение климата

На сектор воздушного транспорта в настоящее время приходится 3 % всех выбросов парниковых газов. Авиация может в ближайшие годы может стать основным источником выбросов парниковых газов, несмотря на улучшения в авиации энергоэффективности… В период с 1990 по 2003 год, выбросы парниковых газов от международного воздушного транспорта увеличились на 73 % в ЕС. Если сектор продолжит расти нынешними темпами, к 2012 году выбросы должны были увеличиться на 150 % с 1990 года.

 

11.1.10. Авиационное биотопливо [11–10]

Авиационное биотопливо широко рассматриваемое в авиационной отрасли является одним из основных средств с помощью которых промышленность может снизить выбросы углекислого газа..

Обоснование для авиации биотоплива

В дополнение к созданию более экономичных самолетов и их более эффективной эксплуатации, изменении источников топлива является одним из немногих вариантов для снижения выбросов углерода в авиационной промышленности.

Промышленные обязательства и сотрудничества.

Международная ассоциация воздушного транспорта (IATA) поддерживает исследования, разработки и внедрения альтернативных видов топлива. IATA считает, что доля возобновляемых биотоплив второго поколения в объеме 6 % может быть достигнуто к 2020 году и авиакомпания Boeing планирует довести эту долю до 1 % к 2015 г. А к 2050 г. во всей мировой гражданской авиации снизить объем выбрасов диоксида углерода до 50 % по отношению к 2005 г. Группа заинтересованных авиакомпаний сформировал устойчивое авиационное топливо Users Group (SAFUG). Группа была создана в 2008 году в сотрудничестве с поддержкой неправительственных организаций, таких как Natural Resources Defense Council. Члены этой группы составляют более 15 % отрасли, и руководители всех государств-членов подписали обязательство работать на развитие и использование устойчивых видов биотоплива для авиации..

Производство маршрутов и источников.

Реактивное топливо представляет собой смесь из большого количества различных углеводородов. Диапазон их размеров (молекулярный вес углеводорода) ограничевается требованиями к продукции, например, к точке замерзания и точке дымообразования. Топлива для реактивных двигателей классифицируются как керосин или типа керосина. Авиакеросин включает марки: Jet A, Jet A-1, JP-5 и JP-8. Топливо типа Нафта для реактивных двигателей включает также марки Jet B и JP-4.

BIO-SPK.

Первое направление заключается в использовании углеводородов из растительных источников, таких как ятрофа, рыжик (Camelina), водоросли, животный жир-tallows, другие растительные масла, получившие название био-SPK (био синтетический парафиновый керосин).

Компании, работающие по получению реативного топлива из водорослей являются Solazyme, Honeywell UOP, Solena, Sapphire Energy, Imperium. Университет штата Аризона и Cranfield University также работают в этом направлении.

Основными инвесторами для исследование по получению био-СПК из водорослей являются Boeing, Honeywell / UOP, Air New Zealand, Continental Air-lines, авиакомпания Японии и General Electric. FT-SPK

Второе направление включает переработку твердых биомасс с использованием пиролиза для производства био-нефти или газификации для получения синтез-газа, который затем перерабатывается в FT СПК-FT-SPK (Фишера-Тропша синтетический парафиновый керосин).

Другие исследования основываются на использовании спиртов, таких как этанол или бутанол, которые перерабатывается в топливо для реактивных двигателей.

Коммерческие и Демонстрационные полеты.

С 2008 года большое количество испытательных полетов было проведено, а в июле 2011 года несколько коммерческих полетов с пассажирами было произведено с разрешения ASTM (ASTM International (American Society for Testing and Materials) – американская международная добровольная организация, разрабатывающая и издающая стандарты для материалов, продуктов, систем и услуг).

Таблица. 11-1

Испытательные полеты на биотопливе

15 июля 2011 г. немецкая авиакомпания Lufthansa совершила первый коммерческий рейс по маршруту Гамбург – Франкфурт – на – Майне на смеси традиционного керосина и биотоплива, произведенного фитнской компанией Neste Oil. Использование биотоплива NExNTL стало возможным в авиации после 1 июля 2011 г., когда данный вид топлива был одобрен ASTM International – Американским обществом испытаний и материалов [11–11].

Бразильская авиастроительная компания Embraer совместно с американским производителем авиадвигателей General Electric (GE) провели серию тестовых полетов самолета Е170 с использованием биотоплива. Испытания проходили на заводе Embraer в городе Гавиан-Пейшоту, Бразилия. В ходе тестовых полетов изучались сравнительные эксплуатационные характеристики самолета, оснащенного двигателями CF34-8E, один из которых был заправлен смесью топлива Jet A1 и топлива, прошедшего гидроочистку, состоящего из сложных эфиров и жирных кислот, производимого из растительного масла (Hydro-processed Esters and Fatty Acids – HEFA).

В результате испытаний Embraer и GE признали биотопливо эффективным, подтвердили дальнейшие планы по его тестированию и приняли решение о необходимости активизировать совместные усилия для поддержки и развития производства различных видов биотоплива для авиации [11–12,11-13].

В конце ноября 2010 г. бразильская авиакомпания TAM совместно с Airbus выполнила первый тестовый полет на Airbus A320, заправленном смесью из традиционного авиационного керосина и биотоплива в пропорции 50/50. Лайнер с 20 пассажирами на борту провел в воздухе 45 минут. Оказалось, биосинтетический керосин обладает теми же свойствами, что и обычное топливо, и его можно применять на всех типах воздушных судов без модификации самолета или его двигателей.

К экспериментам с биотопливом не брезгуют подключаться такие маститые авиакомпании, как Lufthansa и KLM. Обе компании в 2011 г. провели испытания работы двигателей самых обычных лайнеров из своего парка на смеси керосина и "биосоставляющей" в пропорции 50/50. И вполне успешно. А уже 13 января 2012 г. Boeing 747–400 авиакомпании Lufthansa с 40 т биосинтетической топливной смеси на борту успешно выполнил первый трансатлантический перелет. [11–14]

Первые коммерческие полеты с использованием BioJet топлива начались осенью 2011 года.

Lufthansa на биоавиатопливе "NExBTL» фирмы Neste Oil провела 1187 испытательных полетов по маршруту между Франкфуртом и Гамбургом. Это уникальное испытание биотоплива подошло к концу в январе 2012 года, и начались регулярные межконтинентальные рейсы между Франкфуртом и Вашингтоном. Сотрудничества и технического испытания будет продолжаться, и Lufthansa теперь будет сосредоточена на устойчивость, доступность и сертификации сырья и материалов.

Авиакомпания Thomson Airways провела первый коммерческий рейс в Европу, используя биотоплива, 6 октября 2011 года на аэркрафте Boeing 757–200 с 232 пассажирами из аэропорта Бирмингема., биоавиатопливо SkyNRG, Нидерланды использовалось в одном двигателе.

ЕС, в координации с Airbus, ведущими европейскиими авиакомпаниями (Lufthansa, Air France / KLM, British Airways и) и ключевыми европейскими производителями биотоплива (Choren Industries, Neste Oil, Группа биомассы технологии и UOP), выступил с инициативой ускорить коммерциализации авиационного биотоплива в Европе.

Ранее биотоплива в авиации были испытаны в ряде стран.

29.03.10 Штурмовик А-10 летает на смеси биотоплива и авиакеросина 29 марта 2010 г.

26 марта штурмовик А-10 Thunderbolt II совершил первый полет с использованием в обоих двигателях топлива со смесью биотоплива и обычного авиакеросина JP-8. Полет состоялся на базе Эглин ВВС США, расположенного вблизи Вальпараисо (штат Флорида).

Это был первый полет летательного аппарата, вся силовая установка которого работала на биотопливе. Испытательный полет явился частью работ по разработке этого вида топлива (программа HRJ – hydrotreated renewable jet), который в отличие от обычного реактивного топлива горит чище, без выделения таких соединений как сера. Работами по созданию биотоплива занимается НИИ Дейтонского университета (штат Огайо).

В качестве биокомпонента послужило семейство растений камелина (рыжик), родственное горчице, капусте и брокколи, но не используемое в качестве пищи. При сжигании биотоплива уменьшается выброс твердых частиц.

Это событие знаменует собой важный этап программы разработки альтернативных топлив. Такой вид топлива этим летом пройдет сертификацию на самолетах F-15 Eagle, F-22 Raptor и C-17 Globemaster III.

К 2016 году доля использования в ВВС США альтернативных видов топлива должна составить 50 %. Как заявил помощник министра ВВС по окружающей среде и логистике Терри Йонкерс (Terry Yonkers), полет штурмовика А-10 на альтернативном топливе «подчеркивает нашу приверженность по продвижению технологий по увеличению использования возобновляемых источников энергии и сокращения объемов импортируемой нефти». [11–15,11-16].

Группа из 10 авиакомпаний во главе с American Airlines и United Continental Holdings, также включает в себя Alaska Airlines, FedEx, Frontier Airlines, JetBlue Airways, Southwest Airlines и США Airways, базирующихся в США, а также Air Canada и Lufthansa, подписали с Вашингтоном договора о намерениях на основе технологий компании Solena создать производство топлива для реактивных двигателей., полученного исключительно из отходов биомассы.

Около 52 тысяч тонн реактивного топлива предполагалось производить из переработанных 550 000 тонн городских и сельскохозяйственных отходов на заводе, который должен быть построен компанией Solena в округе Санта-Клара, штат Калифорния, в 2013 году, и доставляться в аэропорты в Сан-Франциско, Окленд и Сан– Хосе. [11–17].

Это реактивное биотопливо в смеси 50/50 с нефтяным керосином будет использоваться в авиационных двигателях.

За этим соглашением последует ряд других. Solena Group, а также передовые компании в области биоэнергетики и биотоплива, подписали соглашения в этом году с перевозчиками по всему миру.

LOI с British Airways также создадут первый в Европе завод по производству авиационного биотоплива в восточном Лондоне с целью преобразования 550000 тонн отходов в год, в противном случае, предназначенные для свалки мощностью на 16 миллионов галлонов реактивного биотоплива.[11–18].

После ввода в эксплуатацию в 2014 году этот завод стоимостью 200 млн фунтов будет конвертировать до 500,000 тыс. тонн отходов в год в 16 млн. галлонов (52 тыс. тонн) авиабиотоплива, которого будет достаточно для питания 2 % своих самолетов на главной базе в Хитроу.

Аналогичный завод планируется построить в Австралии.

Компания Solena ведущая в мире по производству транспортных биотоплив уверена, что самолеты могут работать на чистом биотоплива без смешения с нефтяным реактивным топливом.

Эксперты уверены, что в ближайшем будущем авиационное биотопливо будет дешевле нефтяного из-за более высоких цен на нефть.

В качестве основного сырьевого источника для производства авиационных биотоплив эксперты рассматривают морские и пресноводные водоросли.

Экологические преимущества.

По оценке Йельского университета (США) биотопливо из ятрофы позволит сократить выбросы парниковых газов до 85 %. Кроме того, биотопливо не содержит сернистых соединений и, следовательно, не выделяют диоксид серы.

В Европейском Союзе, выбросы парниковых газов от авиации увеличились на 87 % в период между 1990 и 2006 гг.

Neste Oil начала эксплуатацию крупнейшего завода в Европе по производству биотоплив на Роттердамской Маасвлакте. Это является важной вехой в реализации стратегии более чистого транспорта Neste Oil и укрепляет позиции компании как ведущего производителя в мире возобновляемые биотоплива. Завод был завершен в рамках бюджета и в соответствии с графиком… Производство в Роттердаме будет увеличиваться постепенно и может достигать максимум 800 тысяч тонн в год [11–19].

Общий объем производства финской компании в настоящее время 2 млн. тонн в год… В прошлом году завод идентичный заводу в Роттердаме вошел в эксплуатацию в Сингапуре. Две установки эксплуатируются в Порвоо в Финляндии с 2007 по 2009 год. Все эти заводы производят NExBTL (bio-to-liquid) возобновляемые биотоплива, а также имеют возможность производить NExBTL возобновляемых авиационного топлива. Neste может сделать это топливо практически из любого растительного масла или жира, отходов животноводства, благодаря своим технологиям. NExBTL возобновляемое биотопливо компании Neste Oil высокого качества и можно использовать во всех дизельных двигателях и существующих системах распределения топлива… Топливо предлагает отличную производительность при низких температурах и может быть использован в чистом виде или в смеси с дизельным ископаемых… NExBTL можно добиться сокращения выбросов парниковых до 80 % по сравнению с ископаемым дизельным топливом. Низким уровнем выбросов выхлопных газов и способствуют улучшению общего качества воздуха. Source: Neste Oil, 21– 09-2011.

Авиационная промышленность активно ищет замену для обычного реактивного топлива за счет использования биотоплива. Air New Zealand и Continental Air-lines в последнее время совершил два успешных испытательных полета (Air New Zealand, 2008; ATW, 2009). Кроме того, Virgin Atlantic (2008) сообщила об успешных испытательных полетах с использованием биотоплива. [11–20].

Общая цель довести к 2017 году использование биотоплива в авиации до 10 % или 34 млн. тонн.

На втором месте рейтинга возобновляемых энергетических компаний, по биотопливу Digest, Sapphire Energy, утверждают, что они могут производить 40–56 млн. т авиационного топлива из водоросли в течение трех лет (ATW, 2009). Тем не менее, эта способность является незначительным по сравнению с Целью: 10 % биореактивный использования топлива и потребует развития ускоренного курса программы в целях обеспечения необходимых объемов производства.

Добро пожаловать в АЛЬФА-BIRD проект.

ALFA-BIRD проект (альтернативные виды топлива и биотоплива для авиации) – финансируется ЕС в 7-й Рамочной программе научных исследований и технологического развития, с июля 2008 года. ALFA-BIRD – R&D проект, направленный на эффективные технические решения. Его цель заключается в том, чтобы исследовать и разработать целый ряд альтернативных видов топлива для использования в авиации, руководствуясь необходимостью обеспечить устойчивый рост гражданской авиации, касающиеся воздействия ископаемых видов топлива по изменению климата и в контексте цен на нефть, которые являются крайне неустойчивыми и увеличение в долгосрочной перспективе.

Основной задачей в работе проекта разработать топлива, которые отвечают весьма строгим требованиям авиации (например, рейс в очень холодных условиях) и совместимы с современной гражданской авиацией, которые являются обязательными в течение почти 50 лет. Для решения этой задачи, ALFA-BIRD собирает несколько дисциплинарных консорциум с ключевыми промышленными партнерами от аэронавтики (производителей двигателей, авиастроителей) и топливной промышленности и научно-исследовательских организаций, охватывающих широкий спектр опыта и знаний в области биохимии, горения, а также промышленной безопасности. Объединяя свои знания, консорциум будет развивать всю цепочку для чистых альтернативных видов топлива для авиации. Наиболее перспективные решения будут рассматриваться в ходе проекта, от классических из них (растительных масел, синтетического топлива) для самых новаторских, такие как новый органических молекул. Основываясь на первый отбор наиболее релевантные альтернативные виды топлива, проводится подробный анализ 4 новых видов топлива….

Компания LanzaTech (Новая Зеландия) на основе возобновляемых источников энергии ведет переговоры со своими партнерами – IndianOil и Jindal Steel & Power – чтобы помочь им создать завод по производству коммерческого биологического реактивного топлива из этанола. В качестве первого шага, Lanza Tech открыла офис в стране в первой половине 2012 года в рамках своего плана по расширению своей деятельности в Индии.[11–21].

IndianOil и Jindal Steel & Power (JSPL) обсудили планы для совместной работы, чтобы ускорить внедрение технологии LanzaTech к производству топливного этанола из промышленных отходящих газов.

Британская авиакомпания Virgin Atlantic проведет испытания в течение трех лет биореактивного топлива при полетах по маршруту Шанхай-Нью-Дели-Лондон Хитроу. LanzaTech имеет технологию для преобразования угарного газа, синтез-газа, а также отходящих газов сталелитейных заводов в этанол и ведет переговоры со всеми крупными производителями стали в Индии, в том числе JSPL, Posco и SAIL.. "

Air NZ была на переднем крае разработки биотоплива[11–22].

Авиакомпании Air New Zealand и Virgin Australia объявили, что они будут работать с разработчиком авиабиотопливом компанией Licella.

Licella разработала процесс превращения биоотходов, таких как отходы сельского хозяйства на биоуглеводороды с помощью технологии, называемой каталитической гидротермальной реакцией (CAT-hr).

Технология CAT-HR предлагает экологически чистую, быструю и экономически эффективную альтернативу для производства биоавиатоплива.

Демонстрационный завод будет создан на севере от Сиднея с помощью государственного финансирования.

Авиакомпания Air NZ подписала меморандум о взаимопонимании с компанией Licella по созданию профильного завода в Новой Зеландии.

Рис. 11-2. Пассажирский самолет компании Thomson Airways заправляется устойчивым биотопливом.[11–23]

 

11.1.11. Европейских инициативы по коммерциализации авиационного биотоплива в Европе [11–24]

ЕС, в координации с Airbus, ведущими европейскими авиакомпаниями (Luf-thansa, Air France / KLM, British Airways и) и ключевыми европейскими производители биотоплива (Choren Industries, Neste Oil, Группа биотехнологии и UOP), выступил с инициативой ускорить коммерциализации авиационного биотоплива в Европе.

Соответствующий семинара был проведен 20 Septmber 2011 года в Брюсселе. Эта инициатива, с надписью "Европейские передовые виды биотоплива. Траектория полета" – это дорожная карта с четкими вехами для достижения годового объема производства двух миллионов тонн биотоплива для авиации к 2020 году. «Биотопливо. Траектория полета» является общими и добровольными обязательствами для своих членов, чтобы поддержать и развивать производство, хранение и устойчивое распространение биотоплива для использования в авиации. Инициатива также направлена на создание надлежащих финансовых механизмов для поддержки строительства промышленных "первых в своем роде" продвинутых заводов по производству биотоплива.

Основные выводы технического документа были представлены заинтересованными сторонами в ходе семинара «Достижение 2 млн. тонн для использования биотоплива в авиации в 2020 году», состоявшегося в Брюсселе 18 мая 2011 года. [11–25].

 

11.1.12. Биотопливо в авиации – сырье и технологии преобразования [11–26]

Авиакомпания Airbus объединилась с компаниями Honeywell Aerospace, UOP, компанией Honeywell, International Aero Engines (IAE) и JetBlue Airways для продолжения развития производства биотоплива второго поколения для использования в коммерческих самолетах. Биотопливо Второго поколения на основе ятрофы и Camelina (рыжик) успешно смешивается с топливом Jet A в демонстрационных полетах.

В августе 2008 года, впервые в мире реактивное топлива из водорослей было произведено компанией Solazyme. Это топливо прошло самый критический тест спецификации ASTM D1655.

В январе 2009 года Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) награжден Science Applications International Corporation (SAIC) $ 25 млн. За контракт на разработку реактивного топлива (JP-8) из водорослей.

Лаборатория исследования водорослей и биотехнологии Университет штата Аризона, Лаборатория Heliae (штат Аризона-промышленное выращивание водорослей для транспорта) и компания ООО Science Foundation Аризоны также сотрудничают в разработке керосина для реактивного топлива на основе водорослей.

Компания Virent BioForming (МЕдисон, штат Висконсин), разработавшая промышленный процесс каталитического превращения растительных сахаров в жидкие углеводородные топлива, также может потенциально быть использована для производства топлива для реактивных двигателей из возобновляемого биосырья. Эта компания получила 46 млн. долл. США на дальнейшие разработки технологий по производству углеводородов из водорослей.

ALFA-BIRD[11–27]. Авиакомпания АЛЬФА-BIRD создает многопрофильный консорциум, направленный на развитие использования альтернативных видов топлива в авиации, с ключевыми промышленными партнерами из аэронавтики (производители двигателей, производители самолетов), топливной промышленностью и научно-исследовательскими организациями, охватывающими широкий спектр знаний в области биохимия, сгорания, а также промышленной безопасности. Объединив свои знания, консорциум будет развивать всю цепочку для чистых альтернативных видов топлива для авиации. Наиболее перспективные решения будут рассмотрены в ходе реализации проекта, начиная от классических (растительные масла, синтетические топлива) до наиболее инновационных, таких как новые органические молекулы. На основании первого выбора наиболее соответствующих альтернативных видов топлива, детальный анализ до 5 новых видов топлива будет осуществляться с испытаниями в реальных условиях.

Рис. 11-4, Технология Virent создает продукты, которые могут заменить более 90 % произведенных из нефти.

Проект BioTfuel (Франция) [11–28].

Цель BioTfueL проекта, начатого в 2010 году, развитие производственной цепочки для 2-го поколения биодизельного топлива и биокеросина… Проект BioTfuel поддерживается Ademe (французским Агенством по окружающей среде и энергетике) и областным советом

Пикардии. Проект объединяет R & D органы – IFP Новых Энергий и CEA – и промышленных игроков – Axens, Sofi-proteol, Total и Уде. Это партнерство позволяет охватывать всю цепочку, от ресурса к топливу, и от R & D в промышленности.

Девиз R&D-центра – «интеллект, воплощенный в металле» – хорошо отражает генеральную двуединую задачу – выполнять фундаментальные и прикладные исследования на математических и натурных моделях и воплощать их результаты в новых конструкторских и технологических разработках.

Состав R&D-ucHTpa

Рис. 11-5, Основные страны профпроизводителей и потребителей биотоплива в Европе. [11–29].

Рис. 11-6, Схематическое изображение Проекта BioTfueL. [11–30].

Проект BioTfuel оцениватся в 112.7 млн. Евро совместного проекта пяти французских партнеров и Уде. BioTfueL направлена на интеграцию всех этапов технологической цепочки BTL и доведения их до рынка. Проект включает в себя строительство и эксплуатация двух опытных заводов во Франции по производству биодизеля и biokerosene (биотопливо для реактивных двигателей), основанные на газификации биомассы. Заводы планировалось запустить в эксплуатацию в 2012 году.

Проект Clean Sky JTI (Проект ЕС) самая амбициозная авиационная программа исследований когдалибо запущенный в Европе. Его миссия заключается в разработке прорывных технологий, чтобы значительно увеличить экологическую чистоту самолетов и воздушного транспорта, в результате чего производить менее шумные и более экономичные самолеты, следовательно, принося существенный вклад в достижение единого европейского неба ради экологических целей.

Проект создан в 2008 году и будет разрабатываться до 31 декабря 2017 года. Стоимость проекта 1.6 млрд. Евро.

Согласно проекту должны быть достигнуто в 2020 году:

• 50 % сокращение выбросов CO2 благодаря резкому сокращению расхода топлива;

• 80 % снижение выбросов NOx (оксидов азота);

• 50 % снижение внешних шумов;

• зеленый жизненный цикл продукта: проектирование, изготовление, техническое обслуживание и утилизация / переработка.

В сотрудничестве с Европейской комиссией, ведущих авиакомпаний и производителей биотоплива, Airbus помогла запустить амбициозный отраслевой инициативой, чтобы помочь ускорить коммерциализацию авиационного биотоплива в Европе.

В апреле 2011 года авиакомпании Airbus и Interjet успешно провели первый полет в Мексику на биотопливе из ятрофы в рамках продолжающихся усилий для ускорения коммерциализации в стране альтернативных видов топлива для авиации. Этот проект использовал лайнер А320, который вылетел из Мехико в южный штат Чьяпас с одним из его двигателей на базе 30-процентов биотоплива.

Airbus также изучает новые пути для получения устойчивого авиационного топлива в консорциум, который включает в себя авиакомпанию Virgin (Австралия), с целью преобразования эвкалипта малли – которые являются коренными растениями Австралии – в альтернативное топливо с помощью процесса, называемого пиролизом. Этот консорциум включает в себя будущее Farm Industries CRC, которая занимается разработкой систем устойчивого сельского хозяйства в рамках совместных исследований программы правительства (CRC) Австралии.

Авиастроительные компании Boeing, Airbus, бразильская авиастроительная компания Embraer объединились для содействия в развитии авиационных биотоплив.[11–31].

Крупнейшие в мире производители коммерческих самолетов Airbus, Boeing и Embraer объединились, чтобы работать единым фронтом с правительствами при производстве биотоплив для авиации.

Авиакомпании Airbus и Boeing представили несколько интересных достижений в производстве биотоплива. Самолет Boeing C-17 Globemaster III был утвержден ВВС США для испытания смеси биотоплива с нефтяным керосином. Компания Boeing также работала с Air China и PetroChina для создания биотоплива для китайских самолетов. В 2011 году Lufthansa проводила более 1000 рейсов Airbus A321 с топливом с содержанием 50 % биотоплива.

Китайская нефтяная компания начинает производство биотоплива для авиации[11–32].

Air China, Boeing и партнеры провели первые полеты с биотопливом, произведенным в Китае 28 октября 2011.

Крупнейший нефтеперерабатывающий завод Китая приступил к подготовке производства авиационного биотоплива с использованием технологии, разработанной в своих исследовательских лабораториях..

По данным местных СМИ, Sinopec начала исследования биотоплива для самолетов в 2009 году и достигли ключевых достижений в 2011 году, что позволило ему начать производство на своем заводе Ханчжоу к концу года.

Различные животные жиры и растительные масла обеспечивают сырьем для топлива, которое производится с использованием технологии гидрирования Sinopec. На компанию Sinopec приходится 70 процентов производств отечественногоа авиационного топлива. Китая.

 

11.1.13. Alitalia и Solena договариваются о производстве биотоплива

Авиакомпания Alitalia (Италия) подписала соглашение с американской биоэнергетической группой Solena, которое предусматривает оценку возможности переработки бытового мусора в биологическое топливо для самолетов. Первым этапом в ходе реализации подписанного соглашения о намерениях будет технико-экономическое обоснование проекта. На данном этапе стороны проанализируют возможность создания завода для переработки бытовых отходов в газ. Впоследствии этот газ будет превращаться в жидкое биологическое топливо посредством процесса Фишера-Тропша. В 2010 году похожее соглашение с компанией Solena подписал британский перевозчик British Airways. Согласно этому договору авиакомпания будет покупать с 2014 года все биотопливо, производимое на заводе GreenSky (восточная часть Лондона).

 

11.1.14. Немецкий авиаперевозчик

Немецкий авиаперевозчик будет выращивать сырье для жидкого биотоплива в России, а переработкой займется финская Neste Oil в Нидерландах. [11–34].

Компания «Люфтганза» проведя эксперименты по использованию жидкого биотоплива в Европе, намерена изучить возможности выращивания сырья для производства этого вида топлива в России.

Вместе с тем немецкий авиаперевозчик не исключает возможности вернуться к применению биокеросина при перевозках пассажиров. Для расширения рынка и объемов производства биотоплива представители этой компании провели переговоры с региональной властью Пензинской области (Россия) на конференции в Германии. Речь шла о выращивании посевной культуры – рыжик. Эту маличную культуру уже возделывают в Пензенской области. В 2011 году Германия приобрела здесь первую пробную партию – 600 тонн пензенского рыжикового масла. Немецко-финско-российское сотрудничество в области производства жидкого биотоплива из рыжика будет одним из первых в России, но не первым в Европе.

В 2011 году в Румынии был начат похожий проект между компаниями Airbus и Tarom. Они организовали один из первых в Европе проектов, направленный на создание стабильной системы производства биологического сырья и его переработки для получения биологического керосина. Проект, реализуемый на территории Румынии, ставит перед собой цель организовать производство биотоплива из масла Camelina (рыжика посевного) и представить его на рынке в качестве экологически безопасной и возобновляемой альтернативы устаревшему авиационному бензину. Руководство проектом взяла на себя румынская неправительственная организация, компания Airbus займется разработкой цепи создания стоимости биокеросина.

Справка: Рыжик посевной – Camelina – неприхотливая культура, не требующая обильных поливов и обладающая высоким потенциалом для сокращения выбросов парниковых газов. Camelina может без особых сложностей выращиваться и заготавливаться на небольших семейных фермах. Эта масличная культура также является высококачественным побочным продуктом для производства кормов для сельскохозяйственных животных.

 

11.1.15. Авиакомпания Qantas испытает биотопливо из морских водорослей [11–35]

Авиакомпания Qantas (Австралия) подписала контракт с американской энергетической компанией Solazyme о совместной работе по внедрению технологии производства биологического топлива из морских водорослей в Австралии. Подобное соглашение Qantas также подписала с компанией Solena (США), которая занимается производством биотоплива из бытовых отходов. Подписанные соглашения являются частью программы авиакомпании Qantas, направленной на оценку возможности использования альтернативных видов топлива, а также на поиск партнеров в этой области. «Затраты и экологические последствия, связанные с традиционными видами реактивного топлива, приводят к необходимости коммерциализации альтернативных источников топлива. Qantas будет оценивать возможность использования каждой технологии на основании коммерческих и устойчивых критериев», – отметил руководитель Qantas Алан Джойс.

 

11.1.16. Водоросли для биотоплива на Шри-Ланке, Китае и Европе

Австралийская компания Algae.Tec. разработала промышленную технологию высокодоходного роста водорослей в закрытых системах для производства биотоплив. Компания Algae.Tec в настоящее время реализует ряд проектов по выращиванию водорослей для биотоплива в Австралии, Шри-Ланке и Китае… У них также есть договоренность с европейской авиакомпанией Lufthansa для развития биотоплива авиации.[11–36].

СОЗДАНИЕ РЕАКТИВНОГО ТОПЛИВА ИЗ ОТХОДОВ РАСТИТЕЛЬНОГО И ЖИВОТНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ – НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Левулиновая кислота, получаемая из гексоз (6-углеродный сахар), открывает новый магистральный путь по широкомасштабному производству реактивного биотоплива из любых видов биомассы.

Левулиновая кислота СН3-СО-(СН2)2-СООН – гамма-кето-кислота. Получается кипячением гексоз с соляной или серной кислотами., имеет свойства карболовой кислоты и кетонов.

 

11.1.17. Топливо для реактивных двигателей из рыжика, ятрофа, и водоросли

Camelina – цветущий стебель, который может достигать нескольких метров в высоту, и она может быть выращена на пшеничных полях, которые оставляют под паром… Топливо с рыжиковым маслом было испытано в Японии на Boeing 747, летавшим в течение 90 минут.

Рис. 11-9. Внешний вид Camelina

Другим сырьем является ятрофа, ядовитый кустарник, который может вырасти до девяти футов на почве, которая не может выдержать продовольственных культур.

Как и ятрофа, водоросли можно выращивать в загрязненной воде, следовательно, их производство в большом количестве не было бы проблемой. Извлечение масла из этих двух культур, однако, носит сложный характер.

Масла из ятрофы и водорослей были смешаны с 50 % обычного реактивного топлива, и смесь была использована Boeing 737 авиакомпании Continental Airlines для завершения двухчасовой испытательный полет из Хьюстона – первый американский коммерческий рейс использования биотоплива. Japan Airlines использовала смесь рыжика, ятрофы и водорослей для испытательного полета.

 

11.2. Моторные топлива [11–37]

 

Разработан процесс, позволяющий получить авиатопливо высокой энергетической емкости из растительных отходов. Каталитическая переработка гамма-валеролактона является ключом к будущим полетам и к замене природного углеводородного топлива на возобновляемое.

 

11.2.1. Получение гамма-валеролактона

Группа инженеров из университета Висконсина объявила о разработке высокоэффективного и безвредного для окружающей среды метода селективной переработки гамма-валеролактона (лактона валериановой кислоты), получаемого из биомассы, в химический эквивалент авиатоплива.

Разработанная методика позволяет извлечь из исходной биомассы до 95 % энергии и не требует больших количеств водорода. Ученым удалось подобрать металлический катализатор, в присутствии которого левулиновая и муравьиная кислота образуют гамма-валеролактон. Сейчас он вырабатывается в небольших количествах как растительная добавка к продуктам питания и парфюмерии. На следующем этапе было разработано лабораторное оборудование, которое с помощью стабильного в обычных условиях и недорогого катализатора перерабатывает водные растворы гамма-валеролактона в авиатопливо через двухстадийный процесс. На первом этапе гамма-валеролактон расщепляется на бутен и углекислый газ. На втором этапе из бутена получают алкеновые олигомеры. Авторы методики утверждают, что ее использование возможно в промышленных масштабах и не требует особенно сложного оборудования или катализаторов. Об актуальности исследования говорит то, что до сих пор из биомассы чаще всего получают лишь этанол и другие низшие спирты. Они в больших объемах могут добавляться в бензин, не изменяя свойств и достоинств автомобильного топлива, однако совершенно не могут использоваться как авиатопливо из-за низкой энергоемкости. Кроме того, и для автомобилей спирты могут служить лишь добавкой к алкановому (углеводородному) топливу. А вот углеводороды, производимые из гамма-валеролактона, практически эквивалентны используемым в современной инфраструктуре (с той разницей, что алканы – углеводороды насыщенного ряда, а алкены – ненасыщенного, и для получения алканов их нужно гидрировать). До сих пор наибольшую проблему для внедрения нового топлива представляла высокая цена гамма-валеролактона, так как методики его получения были дорогими и несовершенными. Теперь ученые работают над созданием более эффективных и простых методик его промышленной выработки. В качестве сырья для получения данного эфира рассматриваются такие биологические объекты, как древесина, стебли и листва кукурузы, прутьевидное просо и другая непищевая биомасса. «Как только будет найден эффективный способ промышленного синтеза гамма-валеролактона, путь к неограниченному получению возобновляемого авиатоплива будет полностью открыт», – заключают авторы работы.

Производство HMF, DMF, Левулиновая кислоты и гамма-GVL валеролактон с помощью катализа. Исследователи из Университета Висконсина, Мэдисон, проводили исследования преобразование целлюлозных материалов до 5-оксиметилфурфурола (HMF), которые затем могут быть преобразованы в алкенов (строительные блоки для синтетических видов топлива). Этот процесс требует дорогих кетонов, а также производства левулиновой кислоты и муравьиной кислоты.

Менее дорогостоящие катализаторы могут быть использованы для преобразования этих кислот в гамма-валеролактон (ГВЛ). GVL может быть катализатором в бутен, который легко превращается в транспортное топливо, с общей эффективностью 95 % (ГВЛ → топливо). Исследования в настоящее время сосредоточены на поиске высокоэффективных маршрут из целлюлозы GVL.

Оксиметилфурфурола могут быть преобразованы в 2,5-Dime-thylfuran (DMF), который имеет потенциал для использования в качестве биотоплива. В июне 2012 года исследователи из Университета Дели опубликованные каталитический метод быстрого синтеза биотоплива DMF в энергетическом обзоре Беркли.

EC FP7 проект DIBANET развивает производство и использование левулиновой кислоты для получения дизельного топлива (через этерификацию этанола с левулиновой кислотой на твердых кислотных катализаторов).

Исследователи из Университета наук и технологий Китая разработали новый маршрут для каталитического преобразования углеводов биомассы в гамма-валеролактон (ГВЛ) без использования внешнего H 2. Модельный эксперимент с глюкозой с выходом 48 %. гамма-валеролактона [55]. Shell также сообщает об испытании смесей этилового валерат (EV), полученных путем гидрирования гамма-валеролактон (ГВЛ) в валериановой кислотой с последующей этерификации. «Бензин в смеси с 10–20 % EV будет в значительной мере соответствует европейским спецификациям бензина (EN 228). EV так-же приводит к увеличению октановой скорости (RON и MON) топлива, без ущерба для других характеристик, таких как коррозия и образование бляшек. Плотность топлива и кислорода также увеличивается. EV также снижает волатильность и уровней ароматических углеводородов, олефинов и серы». [11–56].

С 2007 года в штате Мэн в Gorham работает пилотная установка, демонстрирующая Biofine процесс, который включает в себя высоко температурный гидролитический катализ распада целлюлозы разбавленной кислотой с образованием левулиновая кислоты.

 

11.2.2. Способ получения левулиновой кислоты [11–38]

Российские ученые из Института химии и химической технологии СО РАН (г. Красноярск, Академгородок), разработали и запатентовали технологию получения левулиновой кислоты – сырьевого полупродукта для органического синтеза гамма валеролактона – из древесины. Левулиновую кислоту получают путем гидролиза гексозусодержащего сырья разбавленной соляной кислотой в присутствии двуокиси марганца, взятой в количестве 0,19-0,3 % от массы гексозусодержащего сырья, в течение 30–35 ч при атмосферном давлении и температуре 105-107 °C. Технический результат – повышение выхода целевого продукта и упрощение процесса.

Разработки российских и американских ученых открывают неограниченные возможности по получении Биоавиакеросина из древесины.

 

11.2.3. Биотопливо для транспорта США

Президент Обама объявляет о крупной инициативе по ускорению развития биотопливной промышленности и укреплению энергетической безопасности США. 16 августа 2011 Президент Обама объявил, что Министерство Сельского Хозяйства, Министерство Энергетики и Флот США проинвестируют в партнерстве с частным сектором до $510 млн в течение ближайших трех лет для разработки технологии современных авиационных и морских биотоплив для военного и коммерческого транспорта.[11–39]. Инициатива является ответом на мартовский закон президента Обамы, как часть его «Плана безопасного энергетического будущего» по снижению зависимости от иностранной нефти. Биотопливная инициатива в настоящее время управляется Биотопливной Межведомственной рабочей группой Белого Дома и Советом Белого Дома по Сельским Территориям, что дает возможность повышать межведомственное сотрудничество по развитию сельских районов Америки. «Создавая национальную биотопливную промышленности, мы создаем рабочие места в строительстве, рабочие места на новых заводах и улучшаем экономические возможности в сельских общинах по всей стране», сказал министр сельского хозяйства Вилсак. «Также важно, что каждый галлон биотоплива потребляется там, где оно производится, сокращая транспортные расходы, и повышая энергетическую безопасность для военных». «Эти первые заводы продемонстрируют передовые технологии совместимого с инфраструктурой, производимого из богатых ресурсов биомассы Америки топлива», сказал министр энергетики Чу. «Это будет поддерживать развитие новых, ориентированных на сельское хозяйство отраслей, которые призваны заменить импортируемую нефть на безопасные возобновляемые топлива, сделанные здесь, в США». Совместный план предусматривает, что три министерства проинвестируют в общей сложности до $510 млн, а также существенных инвестиций частных компаний, по крайней мере один к одному. Партнерство направлена на снижение зависимости США от иностранной нефти и создания рабочих мест, а также позиционирование американских компаний и фермеров как мировых лидеров в области передовых биотоплив. США тратят более $300 млрд в год на импорт нефти. Производство энергии из внутренних источников обеспечивает более безопасную альтернативу импортируемой нефти и улучшает американскую энергетическую и национальную безопасность. В июне 2011 г. президент Обама подписал распоряжение о создании первого Совета Белого Дома по Сельским территориям для опоры развития экономической стратегии администрации для сельской Америки и для уверенности, что федеральные инвестиции продолжают создавать максимальную выгоду для сельских американцев. Представители администрации проводят работу по координации программ через правительство и поощрению государственно-частного партнерства для улучшения экономических условий и создания рабочих мест в сельской местности. Администрация президента Обамы предприняла значительные шаги для улучшения жизни сельских американцев и обеспечила широкую поддержку сельских общин. Администрация Обамы поставила целью модернизацию сельской инфраструктуры, предоставляя широко-полосный доступ в интернет 10 миллионам американцев, расширяя образовательные возможностей для студентов в сельской местности, обеспечивая доступные медицинские услуги, поощряя инновационную деятельность, а также расширяя производство возобновляемой энергии. В долгосрочной перспективе эти беспрецедентные инвестиции в сельские территории будут способствовать притоку населения в сельские территории, финансовой независимости и процветания сельских общин Америки.

Исследователи Министерства энергетики США и Института биоэнергетики разработали новый тип биотоплива, которое является идентичным дизельному горючему. Команда генных инженеров JBEI разработала штаммы бактерий и дрожжей, способных производить бисаболен-органическое вещество, относящееся к роду терпенов (класс углеводородов), который используется в парфюмерии и для производства различных ароматизаторов. Испытания показали, что биса-болен может стать альтернативным сырьем для биосинтеза дизельного топлива. [40].

Рис. 11–10. Структурная формула Бисаболена– 1-метил-4-(1,5-диметил-1,4-гексадиенил) циклогекс-1-ен. (Cl5H24).

Биотопливо, полученное на основе использования данного вещества, обладает свойствами, практически идентичными дизельному топливу D2, но его структура гораздо устойчивее к низким температурам. В отличие от этанола, который может использоваться только как добавка в бензин, новое топливо можно сразу заливать в любых количествах в баки тяжелой техники с дизельными моторами и в баки реактивных самолетов. Кроме этого, «бактериальное» биотопливо на основе бисаболена менее агрессивно по отношению к трубопроводам и цистернам.

Компания Kia Motors Europe является спонсором долгосрочной благотворительной программы для возделывания кустарников Jatropha на юге Мали, Западная Африка.

Проект под названием "Kia – Посадка на лучшую жизнь», будет инвестировать посадки шести миллионов кустарников ятрофа в течение ближайших трех лет, помогая обеспечить лучшее будущее для сельской общины за счет повышения сельскохозяйственного производства и формирования доходов фермеров и их семей.[11–41].

Эта иннициатива автокомпании Kia была реализована при культивировании 2300 000 деревьев и создании 51 полевых школ Ятрофа для обучения более 5000 местных фермеров современным агротехнологиям возделывания таких как основных культур, как кукуруза, сорго и арахис.

 

11.2.4. Биотопливо для транспорта ЕС

Европейская комиссия утвердил семь схем по использованию биотопливо в ЕС. [11–42].

Данные Комиссии показывают, что в 2007 году около 26 % биодизеля и 31 % биоэтанола, используемых в ЕС было импортировано. Большая часть импорта пришла из Бразилии и США.

Биотопливо, предназначенных для частичной компенсации предстоящих нехватки нефти и сокращения выбросов парниковых газов, потребуется гораздо больше сельскохозяйственных земель.[11–43].

На данный момент биодизель используется в ЕС гораздо более широко, чем этанол.

Но это может измениться в будущем, с появлением автомобилей, оснащенных «гибкими» двигателями, которые должны использовать максимум 85 процентов этанола, на 15 процентов бензина.

Новые перспективы появились вместе с топливом второго поколения, изготавливаемого из растительных отходов. Открытие группой французских и американских исследователей филаментозного гриба

Trichoderma reesei (точнее, последовательности оснований в ДНК его генома) стало важным шагом в создании совершенно нового источника топлива. Этот многообещающий организм обладает способностью преобразовывать целлюлозу в сбраживаемый сахар – источник получения этанола.[11–44].

Рис. 11–11. Мицелий Trichoderma reesei.

Филаментозный гриб Trichoderma reesei имеет уникальную способность превращать растения в простые сахара – базовые составляющие этанола. Исследователи лаборатории AFMB (Структура и функции биологических макро-молекул) при Национальном центре научных исследований (CNRS) и Средиземноморском и Прованском университетах совместно с американскими коллегами расшифровали его геном.

Благодаря высокой каталитической активности его энзимы превращают растения в простые сахара, которыми он питается. Впоследствии сахара проходят процесс ферментации, упрощающей их переход в этанол. Это биотопливо можно использовать в двигателе, рассчитанном на бензин».

Исследования ведутся в рамках европейской программы E-TRICEL[45].

Для промышленного применения этого открытия необходимо выделить штаммы грибов, способные вырабатывать более 50 грамм клеток из литра исходного вещества. Этот гриб способен производить огромное количество энзимов – до 100 г из 1 кг растений.[46].

 

11.2.5. Компания «Тайота» и биотоплива

Компания «Тайота» полагает, что существуют три основные проблемы при использовании биотоплива в качестве топлива для автомобильного транспорта:

1) Биотопливо должно быть произведено с минимальными выбросами CO2 и других воздействий на окружающую среду. Toyota участвует в ряде инициатив, таких как Европейская Технологическая Платформа биотоплива.

2) Биотопливо должно быть "пригодным для целей" без экологических и транспортных средств оперативных последствий… Toyota поддерживает работу Комитета Европейской нормализации (CEN) в разработке общих стандартов топлива и призывает к их одновременным введением через государства-члены ЕС.

3) производство биотоплива не должно конкурировать с производством продовольствия. Toyota поддерживает биотоплива второго поколения. Это топливо из отходов от лесной и сельскохозяйственной промышленности, а не из сельскохозяйственного сырья.

В частности, Toyota изучает биотоплива второго поколения из древесины или соломы. Это обещает ряд преимуществ, среди которых не вызывает затруднений в использовании существующих транспортных средств и перспектива еще большего сокращения выбросов парниковых газов. Производственный процесс на ранней стадии развития, и это может быть за несколько лет до наличия в промышленных масштабах.[11–47].

 

11.2.6. Газогенераторные автомобили Финляндии [11–48]

Рис. 11–12. Газогенераторные автомобили Финляндии.

В качестве топлива для автомобиля используется газ, вырабатываемый газогенераторными установками собственных разработок. Выброс углескислого газа этого транспортного средства – 0 г/км. Объясняется это использованием древесного газа. Использование древесного газа экономически выгодно. В этом автомобиле вместо бензина можно использовать торф и древесину. А торф – дешевое коммерчески доступное топливо в Финляндии, и топливный расход по торфу – только 4 €.

Использование газа вместо бензина приводит к тому, что двигатель теряет в мощности и затрудняет, например, обгон более медленных транспортных средств. Зато, при поездках на длинные расстояния можно взять с собой больше топлива.

Древесина после газификации преобразуется в газообразное биотопливо и может использоваться как топливо для двигателей внутреннего сгорания. Нужны незначительные доработки, чтобы приспособить двигатель к работе на древесном газу. Древесный газ содержит приблизительно 20 % угарного газа, 20 % водорода, 10 % углекислого газа и приблизительно 50 % азота. При эффективной газификации теряется около 25 % энергии.

Марки автомобилей, переведенные на генераторный газ: Lincoln Mark V 1979 Приспособлен к работе на древесном газе. Техническая информация: Двигатель: 400 л. с., 6,6 литров. Максимальная скорость: 110 км/ч Крейсерская скорость: 100 км/ч, 60 миль./ч. Расход. топлива: 50 кг/100 км. Дальность пробега: 250 км (торф). Используемое топливо: торф и древесина. Денежный расход: 4€/100 км. Обслуживание: очистка фильтра каждые 1000 км Buick Le Sabre STW -83. Приспособлен к работе на древесном газу в 1994. Газогенератор адаптирован к использованию с различными видами топлива. Работал на древесине и на торфе Тестировалась базовая фильтрация и очистка водой Настраиваемая печь Эксперименты с различными типами решеток. Этот автомобиль был в эксплуатации с конца 1994 и до осени 2003. За это время автомобиль проехал около 80 000 км на древесном газу. Тойота Camry 2,0 GLI Небольшой, экономичный и очень энергичный автомобиль.

Был построен несколько мощный газогенератор, как для этого автомобиля. Из-за низкого расхода топлива, одна заправка дает возможность проехать около 500 км. Прицепной газогенератор не сильно влияет на управление автомобилем. Двигатель этого автомобиля обеспечивает слабый вращающий момент на малых оборотах, но, в общем, мощность двигателя удовлетворительна для нормального движения.

Максимальная скорость 95 км/ч (на 4-й передаче) Расход топлива: 20 кг/100 км. Дальность пробега: 500 км (на торфе) Денежный расход 2 €/100 км Мощность на бензине 96 кВт Ручная 5-и КПП. Обслуживание: очистка фильтра каждые 2000 км Chevrolet El Camino 4х4, 1987 Двигатель: 350 л.с., 5,7 литров, автоматическая КПП Топливо: Древесина Расход: приблизительно 40 кг / 100 км. Топливный расход: приблизительно 2 п/100 км Дальность пробега: приблизительно 200 км на одной загрузке. Можно брать топлива для 700-километров пробега

Максимальная скорость: более 120 км/ч Вес автомобиля: ~ 2 300 кг Газогенератор был изготовлен в 2007 году Электронное управление двигателем: Motec M800. Электронное управление подачи смеси, контроль выхлопных газов, лямбда-зонд. Возможна работа как на бензине, так и на газу. Автоматический розжиг газогенератора. Выхлопные газы: Соответствует нормам инструкции E4. Volkswagen Caddy 1985 Еще одна работа Весы Миконена. Volkswagen Caddy с двигателем 1,8 л, с ручной пятиступенчатой коробкой передач. Вес автомобиля с полной загрузкой 1250 кг. Максимальная загрузка 360 кг. Количество перевозимых людей, один водитель и один пассажир. Испытания проходили на 770 километровом пробеге между Рованиеми и Ламми. Все это врмя двигатель работал безупречно. Все необходимое для такого путешествия находилось в автомобиле. Во время автопробега передвигались на скорости около 100 км/ч. С помощью 5-и ступенчатой КПП можно поддерживать постоянную скорость. В некоторых местах, на высокие холмы, газогенераторный фолксваген выезжал на 4-й передаче, в то время когда сопровождавший сааб вынужден был переключаться на 3 передачу. Запаса мощности хватало, для передвижения по пересеченной местности, так же автомобиль работал довольно динамично в городских условиях на светофорах. Автомобиль полностью был переведет на работу на газу. В качестве топлива использовались древесная щепа. Для запуска двигателя оставили 3-х литровый бак для бензина.

 

11.2.7. Экологичные автомобили [11–49]

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 22 октября 2010; проверки требуют 17 правок.

Рис. 11–13. Tesla Roadster.

Рис. 11–14. KoenigseggR CCX

Экологичные автомобили или «Зеленые» автомобили (от англ. Environ-mentally friendly vehicle, green vehicle) – автомобили, оказывающие менее негативное воздействие на окружающую среду, чем обычные автомобили с двигателями внутреннего сгорания, работающие на бензине или дизеле.

KoenigseggR CCX – Автомобиль с гибким выбором топлива-может ездить как на бензине, так и на смеси бензина с этанолом, причём в гибких пропорциях (от 5 % до 95 %). Автомобиль имеет один топливный бак, адаптированность к разному составу топлива достигается за счёт оригинальной конструкции двигателя или за счёт конструктивной модификации обычного бензинового двигателя внутреннего сгорания.

 

11.2.8. Транспорт на топливных элементах

Водородный транспорт – различные транспортные средства, использующие в качестве топлива водород. Это могут быть транспортные средства, как с двигателями внутреннего сгорания, так и с водородными топливными элементами.

 

11.2.9. Биотопливо для автомобильного транспорта

В последнее время серьезное внимание уделяется новому биотопливу: BtL (Biomass-to-Liquid). BtL производят из древесины и отходов деревообработки (промежуточный продукт: син-газ)., При производстве BtL древесина полностью перерабатывается.[11–50]. BtL может производиться из любого вида биомассы и для перевода автомобилей на него не требуется модификация современных двигателей.

Если BtL займет 20 % рынка ЕС, то в Европе можно уменьшить выбросы CO2 на 200 млн тонн. Топливные компании (Shell, Total, Neste) и автомобильные гиганты со всего мира (Daim-lerChrysler, Volkswagen, Volvo (Ford) открывают программы по переводу автомобилей с традиционного топлива на возобновляемое.

DaimlerChrysler сейчас активно говорит о внедрении в своих автомобилях биотоплива – BtL. Ford недавно заявил о начале продажи в Швеции нового поколения Focus и Focus C-MAX 1.8 в версии FFV на биотопливе. FFV могут ездить как на биоэтаноле, так и на бензине.

General Motors уже продает в Швеции “экологичные” версии моделей Saab и Opel. Обе модели также могут работать на биоэтаноле (который содержит 15 % бензина), на бензине и на смеси этих видов топлива в любой пропорции.

US Military Facilities Increasingly Fill Up With Biodiesel Американские военные объекты все чаще используют биодизель в автотранспорте[11–51].

Alternative Fuel Helps Strengthen US Energy Security, Protect the Environment Армия США, ВМФ, ВВС и морская пехота используют дизельное топливо B20 – смесь 20 процентов биодизеля и 80 процентов дизельного топлива (солярки) в автомобилях на 4-х военных базах: База Корпуса морской пехоты США в Кэмп-Лежен Северная Каролина, Станция ВВС Корпуса морской пехоты США в Юме, штат Аризона Военно-морская база Everett, Эверетт, штат Вашингтон, База US Marine Corps Logistics Base, Albany, GA: Корпуса морской пехоты США, Олбани, Джорджия, а так-же ВВС база Scott, штат Иллинойс, Центр космических исследований ВВС Peterson, Colorado Springs, Форт Леонард Вуд армии базы, Миссури.

Биодлизель используют 375 нетактических автомобилей с дизельным двигателем в том числе тракторные прицепы, погрузчики, трехтонные грузовики, грейдеры, фермерские тракторы и аварийные генераторы. Общий объем использованного биодизеля 50–60 тысяч литров.

 

11.2.10. Биометан для транспорта

Министерства сельского хозяйства США (USDA) видит большие экономические возможности в производстве метана из отходов животноводства.

С 2003 года Министерство сельского хозяйства США помогла 121 проекту совместного финансирования и / или кредитных гарантий. Эти проекты позволили получить 449 ГВт ч / год электроэнергии, сократить выбросы 384 664 тонн CO2-эквивалента и заместить 25 тыс. тонн нефти.[11–54].

Биометан и Грузовики. Перевод грузовиков с дизельного топлива на биометан. Замена дизельного топлива на экологически чистый Биометан, полученный из сельскохозяйственных отходов.[11–52].

Будущее транспортных средств, работающих на природном газе, связано с метаном биологического происхождения (очищенным биогазом). Таков главный мотив, звучавший на заседании круглого стола и прессконференции, проводившихся Европейской газомоторной ассоциацией (ENGVA) в Брюсселе.[11–53].

«Переход с жидкого горючего на газообразное моторное топливо создаст новые, невиданные возможности для стимулирования деловой активности. Сначала это будут по большей части транспортные средства, работающие на метане, но постепенно получат распространение и автомобили с водородными топливными элементами»,

Настало время для правительства сделать шаг вперед и поддержать развитие рынка транспортных средств, работающих на природном газе. Оно должно приложить усилия для создания соответствующей инфраструктуры заправочных станций сжиженного и сжатого природного газа и, как можно скорее, увеличить долю возобновляемого метана (биометана)".

 

Литература

11-1. Отчет РЭА Минэнерго, 2012:моторные биотоплива для наземного и воздушного транспорта. мир и потенциальные возможности России.

11-2.Aviation Biofuels – Biomass Hub | Global bioenergy supply chain.www. biomasshub.com.

11-3. EU ETS and the aviation industry: between a rock and a hard place., www.centreforaviation.com.

11-4. Airplane track of Boeing 747 | Flickr – Photo Sharing!

11-5. Saab JAS 39 Gripen Aircraft., www.worldcaredition.blogspot.com.

11-6. В Австралии научились заправлять самолеты “сельхозотходами”, www.proau.info..

11-7. Авиационное топливо из биомассы удалось произвести ученым., www. economy.az..

11-8. Воздействие авиационного транспорта на окружающую среду, www. azecology.az.

11-9. Три крупнейших в мире производителя авиалайнеров поддержат производство биотоплива., www.aesber.ru.

11-10. Sustainable_Aviation_Fuel From Wikipedia, the free encyclopedia., en.wikipedia.org.

11-11. Международная биоэнергетика, № 3 (20), 2011, стр. 32–33.

11-12. Embraer и General Electric завершили совместные испытания биотоплива., ato.complexdoc.ru

11-13.Переход к альтернативной авиации не за горами., РБК top.rbc.ru.

11-14. Biofuels for Air Travel, Use of Biofuels in Aviation., www.biofuelstp.eu.

11-15. A-10-Thunderbolt-n-of-US-Air-Force-flies-on-biofuel-26885-3-1.html www.commodityonline.com.

11-16. military-aviation-news., www.aviationnews.eu.

11-17. About Solena Fuels., www.whitehouse.gov.

11-18. British Airways, Solena Group team up for waste-to-jet-fuel plant. www.biomassmagazine.com.

11-19. Neste Oil starts up Europe's largest renewable bio fuel plant-Neste Oil запускает крупнейший в Европе возобновляемой биотопливо завод. www.rencentre.com.

11-20. Авиационное топливо и масло будущего 535, SE-751 21, Упсала, Швеция, www.fysast.uu. s

11-21. NZ Co LanzaTech to help IOC, JSPL set up bio jet fuel plant., www.indiatimes.com.

11-22. Airlines interested in Licella biofuels

11-23. ^omson Airways passenger plane being fuelled with sustainable ava.

11-24. Система европейского союза по торговле выбросами (EU

ETS…

www.carbon350.co.uk.

11-25. Launch of the European Advanced Biofuels Flightpath.,

11-26.Use of Biofuels in Aviation., www.biofuelstp.eu.

11-27. Alternative Fuels and Biofuels for Aircraft Development., www.airtn.eu.

11-28. BioTfueL Project: Producing Biodiesel and Bio-Jet Fuel – www.total.com.

11-29. www.bioenergie-promotion.fr.

11-30. IFPEN Project Manager., www.ifpenergiesnouvelles.com.

11-31. Airbus, Boeing, and Embraer uniting to promote aviation biofuel., www.bizmology.hoovers. Com.

11-32. Chinese oil firm starts producing biofuel for aviation – E & T Magazine., www.eandt.theiet.org.

11-33. Alitalia и Solena договариваются о производстве биотоплива., www.

air-stream.net.

11-34. Немецкий авиаперевозчик будет выращивать сырье для жидкого., www.infobio.ru.

11-35. Qantas испытает биотопливо из морских водорослей., Авиа., www.air-stream.net.

11-36. www.algaenews.com.

11-37. Полетим на травке – Газета.^., www.gazeta.ru.

11-38. Способ получения левулиновой кислоты., www.findpatent.ru.

11-39. Зачем нужны биотоплива. www.computerra.ru.

11-40. Исследователи из США разработали новый вид биотоплива., www.ecosys.narod.ru.

11-41. Компания Kia Motors Europe будет спонсировать проект по культивированию Jatropha в Мали (

Африка). www.biofuelsjournal.com.

11-42. Еврокомиссия ужесточает правила использования биотоплива., www.bbc.co.uk.

11-43. ЕС может освободить землю для биотоплива. www. articles. economictimes. indiatimes.com.

11-44. Прожорливый гриб – будущее биотоплива., www.ambafrance-ru.org.

11-45. Изучение энзимного биоразнообразия с целью комплементации секретома Trichoderma reesei для улучшения гидролиза лигноцеллюлоза, www.ambafrance-ru.org.

11-46. Интернет сайт: www.cnrs.fr: CNRS (Национальный центр научных исследований).

11-47. Green TechnologiesOur stance on biofuels TOYOTAToyota Motor Europe Corporate Site

11-48. Газогенераторные автомобили Финляндии – Ээковатт., www.greenwatt.ru.

11-49. Экологичные автомобили., Материал из Википедии – свободной энциклопедии.

11-50. Pellets.ru – Статьи. Жидкое моторное биотопливо., www.pellets.ru.

11-51. Американские военные объекты все чаще используют биодизель в автотранспорте., www.rusus.ru.

11-52. Информационный бюллетень биометан для автотранспорта., www.ngvrus.ru.

11-53. Биометан для автотранспорта – …www.ngvrus.ru.

11-54. Биометан. энергетики и топлива., www.cleantechblog.com.

11-55. Angewandte Chemie International Edition, Vol 48, вып. 35, 6529–6532.

11-56. Jean-Paul Lange и др., Валериановое Биотопливо: Платформа целлюлозного топлива Транспорт, Angewandte Chemie International Edition, Том 49, выпуск 26, стр. 4479–4483.

 

Рис. 12-1. Кругооборот водорода в биосфере.

Биоводород – водород, полученный либо биологическими организмами, либо из биомассы термо-химическим, биотехнологическим способом или биофотолизом воды. [12-1]

 

12.1. Свойства водорода

Водород – газ без цвета и запаха, в 15 раз легче воздуха. Обладает очень высокой теплопроводностью, сравнимой с теплопроводностью металлов. Водород хорошо растворяется в некоторых металлах: в одном объеме палладия, например, растворяется до 900 объемов водорода. В соотношении 2:1 с кислородом образует взрывчатый гремучий газ. Температура сгорания водорода чрезвычайно высока – 2800 °C. Водород является великолепным восстановителем.

Физические свойства. Для сжижения и затвердевания водорода требуются очень низкие температуры и высокое давление. В нормальных условиях водород – бесцветный газ, без запаха и вкуса, очень легкий: 1 л водорода при 0 °Cи атмосферном давлении имеет массу 0,08987 г (ср. плотность воздуха и гелия 1,2929 и 0,1785 г/л соответственно). Атомный номер 1 Атомная масса 11Н 1,00797, Плотность при нормальном давлении 0,08987 г/л при 2,5*105 атм – 0,66 г/л, при 2,7*1018 атм -1,12*107 г/л.

Ковалентный радиус, 0,74. Температура плавления, ° С -259,14. Температура кипения, ° С -252,5. Критическая температура, ° С -239,92 (33,24 K). Критическое давление, атм. 12,8 (12,80 K). Теплоемкость,

Дж/(мольЧК) 28,8 (H2). Растворимость в воде, объем/100 объемов Н20(при стандартных условиях) 2,148 в бензоле, мл/г (35,2 °C, 150,2 атм) 11,77 в аммиаке, мл/г (25 °C) при 50 атм. 4,47 при 1000 атм. 79,25. Степени окисления -1, +1.

Химические свойства. Химические свойства водорода определяются его единственным электроном. Количество энергии, необходимое для отрыва этого электрона, больше, чем может предоставить любой известный химический окислитель. Поэтому химическая связь водорода с другими атомами ближе к ковалентной, чем к ионной. Чисто ковалентная связь возникает при образовании молекулы водорода: Н + H H2 При образовании одного моля (т. е. 2 г) H2 выделяется 434 кДж. Даже при 3000 K степень диссоциации водорода очень невелика и равна 9,03 %, при 5000 K достигает 94 % и лишь при 10000 K диссоциация становится полной. При образовании двух молей (36 г) воды 2H2O) выделяется более 1250 кДж и температура достигает 3000–4000 °C, тогда как при сгорании молекулярного водорода (2H2 + O2 → 2H2O) выделяется всего 285,8 кДж и температура пламени достигает лишь 2500°

 

12.2. Водородная энергетика

Водородная энергетика из атомарного водорода и кислорода (4H + O2 → Водородная энергетика – экономичное и экологическое направление выработки и потребления энергии человечеством, основанное на использования водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которое вновь вводится в кругооборот водородной энергетики).

Водород прекрасное моторное топливо, которое используется наземным и воздушным (СССР, США) транспортом. В настоящее время во всём мире ежегодно производится около 50 млн тонн водорода. Из них примерно 48 % производится из природного газа, 30 % из нефти, и 18 % из угля. При производстве водорода из углеводородов получается большое количество CO2, который является одной из причин глобального потепления. К тому же не все страны обладают собственными углеводородами.

Решением этих проблем может стать производство водорода из биомассы и воды. Для этих целей разрабатываются:

• Термохимический метод,

• Биохимический метод,

• Биофотолиз.

Водород может производить группа зелёных водорослей, например, Chlamydo-monas reinhardtii. Водоросли могут производить водород из морской воды, или канализационных стоков.

С широким применением водорода на транспорте связывают радикальные решения по снижению выбросов CO2 на 20–25 % в год, особенно при использовании водородных топливных элементов.

 

12.3. Водород в авиации

Впервые водород был использован как топливо в авиации в СССР в начале 80-х годов на самолетах: ТУ-154Б-2, ТУ – 155.

3 апреля 2008 года компания Boeing провела лётные испытания лёгкого двухместного самолёта Dimona с силовой установкой на водородных топливных элементах.

Рис. 12-2. Самолет ТУ-154Б-2 на жидком водороде Рис 12-3. Турбореактивный двухконтурный двигатель НК-88. Создан в двигателестроительном конструкторском бюро им. Кузнецова

Рис. 12-4. Компоновочная схема ТУ-155. Голубой – топливный бак. В переднем отсеке – обеспечивающее оборудование. Красным – криогенный двигатель.

 

12.4. Достоинства водорода

Среди достоинств водорода можно выделить:

1) высокую энергоемкость; в расчете на единицу массы водород превосходит все природные топлива: природный газ в 2,6 раза, нефть в 3,3 раза, целлюлозу в 8,3 раза;

2) химико-экологическую чистоту; единственным продуктом его окисления в любых режимах (при горении или электрохимическом окислении) является вода (окись азота, являющаяся побочным продуктом сгорания водорода в воздухе, образуется в ничтожных количествах);

3) практически неисчерпаемые запасы дешевого сырья – воды, содержащей более 10 % (по массе) водорода;

4) возможность использования топливных элементов, реакции окисления водорода и восстановления кислорода воздуха с образованием воды в которых протекают на электродах и приводят к генерации электрического тока, позволяют эффективно доставлять и преобразовывать энергию в удобный для потребления электрический вид. Важно, что КПД современных топливных элементов существенно больше КПД любых энергетических систем, основанных на сжигании топлива, и достигает в настоящее время ~ 80 %, тогда как КПД дизельных двигателей # 30 %.[12-2].

 

12.5. Водород – как сырье для химии

Водород – также ценное сырье для химической промышленности.

Несмотря на все преимущества водорода в качестве альтернативного топлива, принципиальным остается вопрос об источнике энергии для получения водорода из воды. В основном рассматриваются три альтернативных источника: термоядерная, атомная и солнечная энергия. Однако возможности широкого использования внутренней (термоядерной и атомной) энергии неразрывно связаны с проблемой теплового загрязнения среды – нарушения теплового баланса и повышения температуры Земли. При современных темпах развития энергетики на основе внутренних источников тепла изменение климата Земли может наступить уже в ближайшие 30–50 лет. Это определяет принципиальное ограничение дальнейшего развития энергетики на основе внутренних источников энергии и стимулирует поиск новых источников, не вызывающих нарушения теплового баланса Земли. С этой точки зрения солнечная энергия является одним из наиболее экологически чистых источников энергии. В связи с этим возникает вопрос: способна ли энергетика, основанная на использовании солнечного излучения в качестве первичного источника энергии, обеспечить энергетические потребности человечества?

В связи с большими резервами и экологической чистотой в последние годы все более популярной становится концепция солнечно-водородной энергетики, основанной на преобразовании солнечной энергии в химическую в результате разложения воды и сочетающей в себе все достоинства водорода в качестве топлива и солнечной энергии в качестве первичного источника.

Следует отметить, что по сравнению с прямым преобразованием солнечной энергии в электрическую на основе полупроводниковых солнечных батарей промежуточное аккумулирование солнечной энергии в топливной форме водорода в рамках солнечно-водородной энергетики успешно решает проблему суточной и сезонной зависимости потока солнечной энергии.[2].

В настоящее время предложено несколько основных путей для разложения воды под действием солнечного излучения. Некоторые из них являются косвенными. Например, термохимические методы, основанные на использовании тепла, полученного за счет солнечной энергии, или электролиз воды за счет электроэнергии от полупроводниковых солнечных батарей или тепловых электростанций. Однако исследование природного процесса конверсии солнечной энергии в химическую (фотосинтеза) показывает принципиальную возможность прямого фотохимического разложения воды солнечным светом. В связи с этим в последние годы весьма интенсивно развиваются фотохимические методы получения водорода из воды, основанные либо на искусственных фотохимических системах, либо на применении биологических систем (растений, микроскопических водорослей, фототропных бактерий), фотосинтетический аппарат которых может быть использован для выделения водорода – биофотолиз воды.

 

12.6. Биофотолиз

Учёные Калифорнийского университета в Беркли в 1999 году обнаружили, что если водорослям не хватает кислорода и серы, то процессы фотосинтеза у них резко ослабевают и начинается бурная выработка водорода.

Применение водорода на транспорте и в энергетике в настоящее время ограничено отсутствием развитой инфраструктуры, ограничиваясь созданием Концептуальных моделей водородных автомобилей и техники, работающей на топливных водородных элементах.

Усложняют возможность использования водорода в качестве топлива и проблемы безопасности: водород может создавать с воздухом Взрывоопасную смесь – гремучий газ; сжиженный водород обладает исключительными проникающими свойствами, требуя применения особых материалов. Однако, по экологическим параметрам безопасности и энергоемкости, водороду нет равных. Реакция разложения водорода – Н2 + 0,5О2 = Н2О – сопровождается выделением большого количества энергии (285,8 кДж/моль). При этом не происходит никакого загрязнения атмосферы, так как в результате реакции образуются только пары воды.

 

12.7. Фотолиз и фотокатализ

Из повседневного опыта известно, что чистая вода в любом агрегатном состоянии совершенно прозрачна для падающего на поверхность Земли солнечного света, основная часть которого приходится на область видимого и ближнего инфракрасного излучения (0,3–1,0 мкм). Заметное поглощение электромагнитного излучения водой, способного привести к ее фоторазложению, начинается лишь с длин волн короче 0,2 мкм, практически отсутствующих в спектре солнечного излучения, достигающего поверхности Земли. Это означает, что процессы прямого фотолиза воды с участием ее электронно-возбужденных состояний не могут быть использованы для конверсии солнечной энергии в химическую. Таким образом, как и в природном фотосинтезе, эффективное фотохимическое разложение воды солнечным светом возможно только на основе фотокаталитических процессов.[12-2].

Специфической особенностью фотокаталитических процессов по сравнению с обычным “темновым” катализом является, с одной стороны, чувствительность химической системы к действию света и, с другой – возможность осуществления каталитических реакций превращения субстрата в продукт с положительным изменением свободной энергии системы DG > 0. В связи с этим при разработке искусственных фотокаталитических систем разложения воды солнечным светом используют явления фотосенсибилизации и фотокатализа. Фотосенсибилизация – это изменение спектральной области чувствительности химических соединений, происходящее вследствие процессов переноса энергии или электрона от веществ, называемых сенсибилизаторами, которые поглощают свет другой спектральной области (обычно более длинноволновой). Фотокатализ – это явление индуцирования химических превращений при действии света на системы, содержащие химические соединения – участники реакции и вещества, называемые фотокатализаторами, которые индуцируют при поглощении света химические превращения участников реакции, многократно вступая с ними в химические взаимодействия и регенерируя свой состав после каждого цикла промежуточных взаимодействий.

Следует отметить, что в чистом виде явление как фотокатализа, так и фотосенсибилизации встречается редко. В большинстве фотокаталитических процессов одни и те же вещества выполняют функцию и фотосенсибилизатора и фотокатализатора.

Энергетическая эффективность преобразования солнечной энергии в химическую для разработанных в настоящее время модельных систем биофотолиза воды не превышает 0,2 %, тогда как теоретическое предельное значение составляет ~17 %.

Второй существенной проблемой является недостаточная стабильность разработанных биосистем фотолиза воды во времени (до 30 дней). Решение этих проблем позволит перейти к созданию практически приемлемых устройств конверсии солнечной энергии в химическую на основе биокаталитических систем фотолиза воды.

 

12.8. Искусственные фотокаталитические системы разложения воды

Созданный природой в ходе эволюции уникальный восьмиквантовый фотосинтетический аппарат, включающий две фотосистемы, объединенные сложной многоступенчатой электронтранспортной цепью, обеспечивает не только окисление воды и восстановление NADP+, но и синтез энергоемких соединений адено-зинтрифосфата из аденозиндифосфата и неорганического фосфата, которые в дальнейшем выполняют роль универсального источника энергии в клетке, обеспечивая протекание большинства биохимических процессов [2]. В связи с этим заманчивым представляется создание искусственных фотокаталитических систем, выполняющих узкоспециализированную функцию – фоторазложение воды. При этом нет необходимости моделировать весь сложный механизм фотосинтеза, а следует использовать только основные принципы фотохимического преобразования солнечной энергии в химическую.

Поскольку выделение одной молекулы кислорода требует разложения двух молекул воды, энергетические затраты на проведение одного каталитического цикла фоторазложения воды при комнатной температуре не могут быть меньше 113,4 ккал/моль, что соответствует энергии квантов ультрафиолетового света (1 = 0,252 мкм), практически отсутствующих в спектре солнечного излучения (0,3–1,0 мкм), падающего на поверхность Земли. Это означает, что с точки зрения наиболее полного использования солнечного излучения, достигающего поверхности Земли, наиболее рациональной является четырех-квантовая схема процесса разложения воды, при котором каждый квант света используется для переноса одного электрона. В этом случае пороговая длина волны света составляет 1,008 мкм, что соответствует красной границе солнечного излучения и как следствие этого обеспечивает максимальную эффективность преобразования солнечной энергии в химическую.

Таким образом, в отличие от природного фотосинтеза искусственные фотокаталитические системы разложения воды могли бы работать по принципу не двухтактного (см. схему 3), а однотактного фотонасоса.[12-2].

 

12.9. Технологии фотолиза воды

Изобретён дешёвый способ производства водорода из воды. Процесс представляет собой имитацию фотосинтеза: искусственный силиконовый «лист», покрытый специальным раствором кобальта и фосфатов, помещается в воду и при участии солнечного света отделяет от неё водород. Последний как раз и служит источником энергии. Эффективность подобной конвертации солнечной энергии превышает аналогичный показатель у фотоэлектрических батарей. Способ разработан профессором Массачусетского технологического института

(MIT) и основателем компании SunCatalytix Даниэлем Носерой. [12-3]. Сама по себе идея не нова, однако электролитические установки, расщепляющие молекулы воды, являются дорогими и требуют чистой жидкости. В системе г-на Носеры не важно, чистая вода или грязная. SunCatalytix уже заключила контракт с индийским промышленным консорциумом Tata Group, а также получила финансирование в размере $4 млн. от агентства по инновациям Министерства энергетики США ARPA-E.

Ученые из Университета Восточной Англии (Великобритания) разработали фотоэлектрокаталитическую систему, с помощью которой из воды можно получить водород под действием солнечного света.[12-3].

Система состоит из золотого электрода, который покрывают слой за слоем наночастицами фосфида индия (InP). Затем в слоевую структуру добавляют железосерный комплекс [Fe2S2(CO)6]. Систему погружают в воду, освещают и подают на нее относительно малое электрическое напряжение. В результате образуется водород с эффективностью 60 %.

Механизм реакций таков: частицы света, попадающие на нанокристаллы фосфида индия, возбуждают в них электроны. В этом возбужденном состоянии они переносятся на железосерный комплекс. В процессе каталитической реакции железосерный комплекс отдает электроны дальше ионам водорода (H+) из окружающей систему воды, которые затем высвобождаются в виде водорода (H2). А золотой электрод тем временем поставляет необходимые электроны нанокристаллам фосфида индия.

В отличие от других современных систем получения водорода из воды, данный метод обходится без органических молекул, которые нужно постоянно поддерживать в возбужденном состоянии, при этом они деградируют, и это ограничивает срок службы систем с органическими компонентами. Новая система полностью неорганическая и, соответственно, существенно более долговечная. Авторы разработки считают ее альтернативой существующим методам промышленного производства водорода.

Американские химики сумели получить водород из реакции алюминия с водой при комнатной температуре.[12-4].

Никель и бор, дешевые и доступные элементы, можно применять для получения новых катализаторов разложения воды на кислород и водород, это открытие может найти применение в экологически чистой энергетике будущего.

Наиболее эффективным среди таких катализаторов электролиза воды (разложения на кислород и водород с помощью электричества) считается платина – дорогой и редкий металл, запасы которого на планете очень ограничены, в связи с чем многие научные группы ищут ему замену.

В своей новой работе ученые из группы Носера описывают каталитическую систему, которая представляет собой соединение на основе элементов никеля и бора.

Оно может быть нанесено в виде тонкой пленки на любую поверхность с помощью электричества. На получающемся таким образом электроде, опущенном в водный раствор соединений бора (электролит), при приложении электрического напряжения менее, чем в два Вольта происходит реакция разложения воды с выделением кислорода. При этом на противоположном электроде происходит реакция с выделением чистого водорода. [12-3].

Достоинство нового катализатора состоит в том, что он может быть получен из широко распространенных и дешевых элементов. Кроме того, он обладает хорошими рабочими характеристиками, которые позволяют надеяться на то, что подобные каталитические системы в будущем найдут коммерческое применение.

Для этого ученым необходимо увеличить мощность подобных катализаторов, "научить" их работать на обычной воде без применения дополнительных химических компонентов в качестве электролитов, а также для максимальной эффективности совместить в едином устройстве с солнечными элементами.

В такой энергетической установке избыток электричества, вырабатываемый в светлое время суток, может быть преобразован в водород и накоплен для использования в темное время суток. Эта концепция подразумевает полный цикл генерации и использования энергии малыми хозяйствами, что очень удобно и намного более эффективно, нежели централизованное получение энергии на электростанциях и дальнейшее ее распределение по электросетям.

Исследователи из Университета штата Пенсильвания (Pennsylvania State Univer-sity) и Виргинского университета содружества (Virginia Commonwealth University) провели реакцию кластеров алюминия с водой с образованием водорода при комнатной температуре.

Реактор в этом эксперименте устроен достаточно обыкновенно. Кластеры (в данном случае частицы, содержащие счетное число атомов) получали лазерным испарением алюминия в токе инертного газа гелия. Гелий не вступал ни в какие реакции, а просто приносил частицы металла. Аналогично током гелия приносился и второй участник реакции – вода. Оба участника поступали в реакционную трубу, предварительно очищенную от воздуха. Прореагировав, веще-ства поступали в масс-спектрометр, где и определялись продукты реакции.

В итоге ученым удалось сделать несколько интересных выводов. Во-первых, водород образуется, причем при комнатной температуре. Во-вторых, активность при комнатной температуре проявляют частицы с количеством содержащихся в них атомов алюминия 16, 17 и 18. Это связано с влиянием пространственного строения таких маленьких частиц на химические свойства. В-третьих, удалось получить некоторые сведения о механизме реакции. В частности, реакция протекает с одновременной адсорбцией двух молекул воды (они налипают на частицу). Если процесс станет активно изучаться и применяться, это будет очень важно.

Выяснились и некоторые негативные особенности процесса. Так, частички алюминия не стали в данном процессе катализаторами в полном понимании этого слова.

Они вступают в реакцию один раз и остаются в неактивном виде. Сами исследователи уже видят свою первоочередную задачу в том, чтобы регенерировать активные частицы.

 

12.10. Видимый свет и фотокаталитическое получение водорода

Исследователи из США и Китая разработали простой и легкий метод для получения материалов на основе смешанных сульфидов цинка и кадмия; эти материалы способствуют образованию водорода в результате разложения воды при облучении видимым светом.

Новые материалы отличаются большей эффективностью, так как они поглощают свет в большем спектральном диапазоне, чем уже существующие.

Рис. 12-5. Квантовые точки из селенида кадмия расширяют область спектра, в которой фотокатализатор поглощает видимый свет. [5].

Обычные фотокатализаторы разложения воды, как, например, оксид титана, сульфид кадмия или сульфид цинка отличаются высокой стабильностью и отличной активностью, однако поглощают только ближний ультрафиолет, котор ый представляет лишь 4 % от энергии солнечного излучения. Для расширения рабочей области спектра в катализаторы можно вводить сокатализаторы на основе металлов платиновой группы, однако это увеличивает стоимость фотокатализатора и, следовательно процесса каталитического разложения воды.

Митек Яронич (Mietek Jaroniec) из Университета Кент (Огайо) и Цзягон Ю (Jiaguo Yu) из Технологического университета Вухань получили смешанные комплексы на основе сульфидов цинка и кадмия, легированные квантовыми точками из сульфида кадмия (CdS QDs), демонстрирующие высокую фотокаталитическую активность при облучении видимым светом без введения добавок дорогих благородных металлов.[12-5].

Высокая каталитическая активность смешанного сульфида, легированного кадмийсульфидными квантовыми точками в разложении воды и получении водорода может быть связана с облегчением переноса электрона с CdS QD на субстрат.

Исследователи получили смешанный твердый раствор с помощью простого гидротермического метода, способствующего комбинированию наночастиц ZnS и Cd(NO3)2. Благодаря тому, что замещение ионов Zn2+ на ионы Cd2+ термодинамически благоприятно, катионный обмен происходит достаточно легко.

Количественный анализ позволяет определить, что новый материал в 50 раз эффективнее в процессе фотокаталитического выделения водорода при облучении видимым и ультрафиолетовым светом, чем чистый сульфид кадмия, и более активен, чем легированный платиной сульфид цинка.

Макс Лю (Max Lu), специалист по чистой энергии и технологии защиты окружающей среды из Университета Квинсленда (Австрали) отмечает, что Яронич и Ю получили исключительные результаты, продемонстрировав, что квантовые точки на основе сульфида кадмия могут облегчать процесс фотокаталитического расщепления воды без применения добавок платины. Он добавляет, что если новая система продемонстрирует достаточную стабильность, она сможет увеличить производительность систем фотокаталитического получения водорода при облучении в широком спектральном диапазоне. В дальнейшем исследователи планируют получить новые каталитически активные материалы, в составе которых есть квантовые точки.[12-6].

В Канаде, в пригороде Торонто, небольшая компания «Ротман Текнолоджиз Лтд.» фактически разработала не один, а целых два эффективных способа разложения обычной воды на кислород и водород.[12-7].

И ни один из них не требует миллиардных расходов. Это очень простые решения. Двигатели наших обычных автомобилей смогут работать на предлагаемых системах после лишь небольшой их переделки, и не потребуется создания дополнительных инфраструктур типа нынешних газозаправочных станций. [12-8].

Чтобы понять, как работают подобные системы водного топлива, следует знать, что обычная вода сама по себе является «батареей», содержащей огромное количество энергии. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, а водород является превосходным топливом.

Получение газообразного водорода

В первом химическом процессе, продемонстрированном компанией «Ротман Текнолоджиз Лтд.», используются вода, соль и очень недорогой металлический сплав. На выходе получается чистый водород – топливо, для горения которого не требуется доступа кислорода и которое абсолютно не загрязняет окружающую среду.

Демонстрируемый агрегат пока представляет собой опытную установку и нуждается в некоторой доработке. Двигатель был установлен на лабораторном столе. На полу стояло тринадцать контейнеров емкостью по полгаллона (около двух литров..) каждый, соединенных между собой трубками, которые все сходились к большой центральной трубе, в свою очередь соединенной с карбюратором двигателя.

В контейнерах была обычная вода с некоторым количеством электролита (например, соль).

Когда в эту жидкую смесь погрузили кусок металлического сплава, сразу началось удивительно быстрое выделение водорода, который поступал затем в коллекторную трубу и по ней в карбюратор ДВС.

Двигатель, использующий в качестве топлива воду и соль, а в качестве катализатора сплав металла, действительно работал!

По словам представителя компании, применяемый сплав настолько дешев, что двигатель может работать четыре часа только на одном куске этого сплава стоимостью примерно полцента (канадских)!

Газ Брауна. Это самое совершенное топливо для наших транспортных средств.

Получается он из воды (то есть водорода и кислорода), так же как и чистый водород, но сгорает в ДВС так, что, в зависимости от регулировки, может отдавать кислород в атмосферу. На выхлопе получается кислород и водяной пар (как при использовании чистого водорода или топливных баков) однако кислород здесь берется из воды, используемой для получения газа.[12-9]. Поэтому при сжигании газа Брауна в атмосферу поступает дополнительный кислород.

Таким образом, использование газа Брауна помогает решить очень опасную для нас проблему уменьшения кислорода в окружающей среде.

С этой точки зрения газ Брауна представляет собой идеальное топливо для автомобилей будущего.

Новая технология применения газа Брауна

Главная проблема большинства известных нам систем с применением газа Брауна состоит в том, что, хотя они и работоспособны, но не вырабатывают достаточно водорода для работы поршневого двигателя в обычных дорожных условиях.

Принципиальные изменения, предложенные компанией «Ротман Текнолоджиз Лтд.», связаны с особой технологией электролиза.

При традиционных способах электролиза соответствующий блок просто погружается в воду и дает определенное количество газа Брауна.

Компания же «Ротман Текнолоджиз Лтд.» использует блок, увеличивающий выход газа вдесятеро по сравнению с обычным электролизом. В этом способе газ Брауна смешивается с водой, получаемая молочнобелая смесь подается затем на сепаратор, снова разделяющий воду и газ. Газ направляется в двигатель, а вода идет обратно в электролизер для повторного использования.

Это изобретение, на которое компания имеет заявленный патент США, является, возможно, самым важным открытием, когда-либо сделанным в области электролизных технологий. Десятикратный по сравнению с обычным выход газа Брауна обеспечивает нормальную работу современных ДВС на воде. Такой способ электролиза, является, по-видимому, технологией будущего. [12-7].

Важная задача водородной энергетики будущего – создание двигателей внутреннего сгорания, работающих на воде и водороде. В XXI веке такие двигатели – это уже реальность.[12–10].

Самый широко известный двигатель, разлагающий воду на водород и кислород, основанный на электролизе, сконструирован в 1995 году американским изобретателем Стенли Мейром (Патент США № 5149507).

Обычный электролиз воды требует ток, измеряемый в амперах, в то время как электролитический двигатель С. Мейера производит тот же эффект при милиамперах. Более того, обыкновенная водопроводная вода требует добавления электролита, например, серной кислоты, для увеличения проводимости; двигатель Мэйера действует при огромной производительности с обычной отфильтрованной от грязи водой. Электролитический двигатель Мэйера имеет много общего с электролитической ячейкой, за исключением того, что он работает при высоком потенциале и низком токе. Конструктивно двигатель достаточно прост. Электроды изготовлены из параллельных пластин нержавеющей стали, образующие либо плоскую, либо концентрическую конструкцию. Выход газа зависит обратно пропорционально расстоянию между ними; предлагаемое патентом расстояние составляет

1.5 мм. Двигатель С. Мейера разлагает воду на водород и кислород посредством комбинации высоковольтных импульсов, при среднем потреблении тока, измеряемого милиамперами.

По мнению самого изобретателя, под воздействием электрического поля происходит поляризации молекулы воды, приводящему к разрыву связи.

При работе установки электролитического разложения воды происходят следующие эффекты:

• ориентация молекул воды вдоль силовых линий поля;

• поляризация молекулы воды;

• увеличение длины связи в молекулах воды и их разрыв;

• освобождение газов из установки;

Рис. 12-6. Электролитический двигатель С. Мейера.

Рис. 12-7. Механизм работы электролитического двигателя С. Мейера.

Оптимальный выход газа достигается в резонансной схеме. Частота подбирается равной резонансной частоте молекул.

Сейчас описанные выше конструкции двигателей внутреннего сгорания на воде, реализуются на практике различными западными фирмами. Одни западные крупные автопроизводители Ford, General Motors, Toyota, Nissan проводят опыты с топливными элементами, в котором водород соединяется с кислородом, создавая водяной пар и электричество. Другие, такие как BMW и Mazda, реализуют сжигание водорода в ДВС.

Главная же проблема – как хранить водород в автомобиле. Наиболее перспективный вариант – металлгидриды – ёмкости со специальными сплавами, которые впитывают водород в свою кристаллическую решётку и отдают его при нагревании. Таким образом достигается самая высокая безопасность хранения и самая высокая плотность упаковки топлива. Но это и самый хлопотный, и дальний по срокам массовой реализации вариант. Ближе к серийному производству топливные системы с баками, в которых водород хранится в газообразном виде под высоким давлением (300–350 атмосфер), либо в жидком виде, при сравнительно невысоком давлении, но при низкой (253 С) температуре.

Следующий важный вопрос – способ подачи топлива в двигатель. В этом плане показателен опыт компании BMW, построившей в рамках программы Cle-an Energy в 1999–2001 годах несколько двухтопливных (бензин/водород) автомобилей.

Их 4,5-литровые V-образные 8-цилиндровые двигатели развивают на водороде 184 лошадиные силы. На этом топливе (ёмкость бака составляет 170 литров) автомобиль может пройти 300 километров, и ещё 650 километров – на бензине (в машине оставлен стандартный бак). Сначала компания развивала впрыск газообразного водорода во впускные трубы (перед клапанами). Потом экспериментировала с непосредственным впрыском газообразного водорода (под большим давлением) непосредственно в цилиндр.

По прогнозам западным автомобилестроителей в последующие три года водородные заправки построят во всех западноевропейских столицах, а также на самых крупных трансъевропейских магистралях. В 2015-м на дорогах их будет уже несколько тысяч таких автомобилей. В 2025 году четверть мирового автопарка будет работать на водороде.[12–11, 12–12, 12–13].

В Университете Огайо США разработали эффективный способ получения водорода из мочи.

Рис. 12-8. Электролитическая ячейка по получению водорода из мочи.

Под действием электролиза мочевина разрушается с выделением водорода.

Основной компонент мочи – мочевина, в состав которой входит четыре атома водорода, образующих менее прочные связи, чем связи О-Н в воде. Разработан никелевый электрод, электролиз на котором приводит к селективному окислению мочевины. Для расщепления мочевины требуется напряжение 0.37В, в то время, как для расщепления воды требуется 1.23В.

В ходе электрохимического процесса мочевина адсорбируется на поверхности никелевого электрода. При электролизе на катоде выделяется чистый водород, анодный электродный процесс приводит к образованию азота и следовых количеств кислорода и водорода. Образующийся в процессе электроокисления углекислый газ связывается в карбонат гидроксидом калия, содержащемся в растворе. ТЕРМОХИМИЧЕСКИЙ МЕТОД.

При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500–800 °C (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, СО и CH4.

Себестоимость процесса $5–7 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до $1.5.

БИОХИМИЧЕСКИЙ МЕТОД.

В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes, Enterobacter cloacae.

Возможно применение различных энзимов для ускорения производства водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), содержащихся в биомассе. Процесс проходит при температуре 30 °C и нормальном давлении. Себестоимость водорода около $2 за кг.

Методом ацетоно-бутилового брожения (Closttridium aceto-butylicum) сахарозы или крахмала с 1 тонны мелассы можно получить до 140 м3 водорода, 1 т стеблей сладкого сорго – 50 м3, 1 т картофеля – 42 м3. При ацетонбутиловом брожении с 1 т картофеля получают 25 м3 водорода, тогда как 1 т стеблей сладкого сорго дает 30 м3.

Из биогаза.

Водород может производиться риформингом биогаза или лэндфилл-газа. Паровая конверсия – получение чистого водорода из лёгких углеводородов (например метана, пропан-бутановой фракции) путём парового риформинга (каталитической конверсии углеводородов в присутствии водяного пара).

CH4 + H2O = CO + 3H2 – реакция парового риформинга;

СО + H2O = CO2 + 3H2 – реакция конверсии СО. [12–15]

 

12.11. Современные технологии [12–16]

Аэробное производство биоводорода[12–17].

В США обнаружен штамм микроба, фиксирующего азот океана, – самый эффективный по производству водорода из всех известных до настоящего момента.

Цианобактерия природного происхождения Cyanothece 51142 превращает солнечную энергию в водород в аэробных условиях со скоростью, в несколько раз превышающей другие фотосинтетические микробы.

Обычно, микробы, продуцирующие водород, работают в анаэробных условиях. Это происходит потому, что ферменты (нитрогеназа и/или гидрогеназа), которые они используют для продуцирования водорода, ингибируются кислородом. Благодаря пониманию пути роста и фиксирования азота бактерией Cyanothece 51142, ученые определили, что нитрогеназа включена в ее метаболизм, что вызывает подозрения в продуцировании этим ферментом водорода при необычно аэробных условиях.

Цианобактерия Cyanothece 51142 способна производить водород в анаэробных условиях т. к. она контролирует метаболические процессы циркадными часами.

Она производит фотосинтез в течение дня и фиксирует углерод, который сохраняется в виде гликогена и ночью она начинает процесс фиксации азота, используя гликоген как источник энергии и нитрогеназу для конверсии N2 в NH3 и H2 как побочный продукт. Несмотря на присутствие кислорода, высокие темпы дыхания создают анаэробные условия в клетках, которые позволяют нитрогеназе функционировать.

Благодаря росту клеток в среде, поддерживаемой глицерином и инкубацией в атмосфере аргона, ученые получили самый высокий выход водорода – 467 мкмоль водорода на 1 мг хлорофилла в час, что на порядок выше, чем любой другой известный фотосинтетический микроб, производящий водород.

Система нитрогеназы в целом была отклонена для изучения многими учеными как устойчивый способ получения водорода, в основном из-за дополнительных накладных расходов на клеточную энергию в форме АТФ, необходимой для данного пути. Настоящая работа заставляет поновому взглянуть на эту систему. Это прекрасный пример того, что можно извлечь из природы и применить в биотехнологии, хотя предстоит еще много изучить перед тем, как такие системы будут применены в коммерческом секторе.

 

12.12. Водородный транспорт

Водородный транспорт – это различные транспортные средства, использующие в качестве топлива водород. Это могут быть транспортные средства как с двигателями внутреннего сгорания, так и с водородными топливными элементами.

К концу 2006 года во всём мире функционировало более 140 водородных автомобильных заправочных станций. Из общего количества заправочных станций, построенных 2004–2005 году, всего 8 % работают с жидким водородом, остальные с газообразным.

Планируется строительство:

Водородное шоссе (Калифорния) – К 2010 году 200 заправочных станций на главных шоссе штата.

Hi Way Initiative – водородное шоссе в штате Нью-Йорк (США).

Водородный коридор (Канада) – 900 км. водородного коридора вдоль главных дорог между Монреалем и Виндзором.

HyNor (Норвегия) – водородное шоссе между городами Осло и Stavanger (580 км.) до 2008 года.

2H2 – водородное шоссе Иллинойса.

SINERGY – Сингапурская энергетическая программа

The Northern H (Канада, США) – К 2010 году планируется соединить заправочными станциями крупные города вдоль главных торговых путей Манитобы (Канада), Дакоты, Миннесоты, Айовы и Висконсина.

New York Hydrogen Network: H2-NET (США) – 20 заправочных станций между Нью-Йорком и Буффало (штат Нью-Йорк).

General Motors заявлял о возможных планах строительства 12000 водородных заправочных станций в городах США и вдоль главных автострад. Стоимость проекта компания оценивает в $12 млрд.

Отсутствие водородной инфраструктуры является одним из основных препятствий развития водородного транспорта. Зачем строить инфраструктуру, если нет автомобилей, потребляющих водород? Зачем производить автомобили на водородных топливных элементах, если нет инфраструктуры?

Решением проблемы может стать применение водорода в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания, или смесей топлива с водородом, например, HCNG. В январе 2006 года Mazda начала продажи битопливного автомобиля Mazda RX-8 с роторным двигателем, который может потреблять и бензин, и водород.

ВОЗДУШНЫЙ ТРАНСПОРТ.

Корпорация Boeing прогнозирует, что топливные элементы постепенно заменят в авиации вспомогательные энергетические установки. Они смогут генерировать электроэнергию, когда самолет находится на земле, и быть источниками бесперебойного питания в воздухе. Топливные элементы будут постепенно устанавливаться на новое поколение Боингов 7E7, начиная с 2008 года.

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ТРАНСПОРТ.

Для данных приложение требуется большая мощность, а размеры силовой установки имеют малое значение.

Железно-Дорожный исследовательский технологический институт (Япония) планирует запустить поезд на водородных топливных элементах в эксплуатацию к 2010 году. Поезд сможет развивать скорость 120 км/ч., и проезжать 300–400 км. без заправки. Прототип был испытан в феврале 2005 года.

В США с 2003 года разрабатывается локомотив массой 109 тонн водородным топливным элементом мощностью 1 МВт.

ВОДНЫЙ ТРАНСПОРТ.

В Германии производятся подводные лодки класса U-209 с двумя топливными элементами по 120 кВт. каждый производства Siemens AG. U-209 стоят на вооружении Германии, поступили заказы из Греции, Италии, Кореи, Израиля.

Под водой лодка работает на водороде, и практически не производит шумов.

В США поставки SOFC топливных элементов для подводных лодок должны были начаться в 2006 году. Компания FuelCell Energy разрабатывает 625 кВт.

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ ВОЕННЫХ КОРАБЛЕЙ.

Японская подводная лодка Urashima с топливными элементами PEMFC производства Mitsubishi Heavy Industries была испытана в августе 2003 года.

СКЛАДСКИЕ ПОГРУЗЧИКИ.

Чуть менее половины новых топливных элементов, установленных в 2006 году на транспортные средства, были установлены на складские погрузчики. Замена аккумуляторных батарей на топливные элементы позволит значительно сократить площади, занимаемые аккумуляторными цехами. Wal-Mart в январе 2007 года завершил вторую серию испытаний складских погрузчиков на топливных элементах.

 

12.13. Мобильные топливные элементы

Производство электрической энергии для мобильных устройств: мобильных телефонов, ноутбуков и т. д.

В 2006 году (как и в 2005) во всём мире было изготовлено около 3000 шт. мобильных приложений. Одним из основных потребителей была армия США. Армии требуются легкие, ёмкие, бесшумные источники энергии.

Благодаря спросу со стороны военных, США заняли первое место в мире по количеству разработок в портативных приложениях. На Японию пришлось всего 13 % новых разработок в 2005 году. Наиболее активными были компании производители электроники: Casio, Fujitsu Hitachi, Nec, Sanyo и Toshiba.

Весной 2007 г. компания Medis Technologies начала продажи водородных топливных элементов для мобильных устройств.

В портативных и электронных приложениях доминируют PEM и DMFC топливные элементы.

 

12.14. Двигатель внутреннего сгорания и водород

BMW Hydrogen 7 с водородным двигателем внутреннего сгорания.

Водород может использоваться в качестве топлива в обычном двигателе внутреннего сгорания.

В этом случае снижается мощность двигателя до 82 %-65 % в сравнении с бензином.

Если внести небольшие изменения в систему зажигания, мощность двигателя увеличивается до117 % в сравнении с бензиновым аналогом, но тогда значительно увеличится выход окислов азота из-за более высокой температуры в камере сгорания и возрастает вероятность подгорания клапанов и поршней при длительной работе на большой мощности.[18].

Кроме того, водород при температурах и давлениях, которые создаются в двигателе, способен вступать в реакцию с материалами двигателя и смазкой, приводя к более быстрому износу.

Обычный ДВС для работы на водороде не подходит, так как водород легко воспламеняется от высокой температуры выпускного коллектора. Обычно для работы на водороде используется роторный двигатель, так как в нём выпускной коллектор значительно удалён от впускного.

В настоящее время ограниченными партиями выпускаются:

BMW Hydrogen 7. Битопливный (бензин/водород) легковой автомобиль. Используется жидкий водород;

Ford E-450. Автобус.

Mazda RX-8 hydrogen. Битопливный (бензин/водород) легковой автомобиль.

Городские низкопольные автобусы MAN Lion City Bus.

Берлинская транспортная компания BVG (Berliner Verkehrsbetriebe) к ноябрю 2009 года приобрела 14 автобусов MAN с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде[18].

Boeing Company разрабатывает беспилотный самолёт большой высоты и продолжительности полёта (High Altitude Long Endurance (HALE). На самолёте установлен HICE производства Ford Motor Company[18]

Авиация.

В начале 1980-х годов в конструкторском бюро Н. Кузнецова (Самара) были разработаны авиационные двигатели, предназначенные для пассажирских самолётовТуполева. Эти двигатели, работающие на водороде, прошли стендовые и лётные испытания.

Водород производится на борту самолёта из углеводородов.

3 апреля 2008 года компания Boeing провела лётные испытания лёгкого двухместного самолёта Dimona с силовой установкой на водородных топливных элементах[18].

Водородные топливные элементы.

Водородные топливные элементы могут производить электрическую энергию для электродвигателя на борту транспортного средства, заменив тем самым двигатель внутреннего сгорания, или применяться для бортового питания.

Первое транспортное средство на топливных элементах создала в 1959 году компания Allis-Chalmers Manufacturing Company (США). Щелочные топливные элементы (AFC) были установлены на трактор. В 1962 году – на автомобиль для гольфа. В 1967 году компания Union Carbide (США) установила топливные элементы на мотоцикл.

Автомобильный транспорт.

Hyundai Tucson FCEV на водородных топливных элементах.

Основное преимущество внедрения топливных элементов в транспортные средства: высокий КПД. Например, паровоз за 150 лет своей эволюции смог достичь 5 % КПД. КПД современного автомобильного двигателя внутреннего сгорания достигает 35 %, а КПД водородного топливного элемента – 45 % и более. Во время испытаний автобуса на водородных топливных элементах канадской компании Ballard Power Systems был продемонстрирован КПД 57 %.

КПД классического свинцового аккумулятора70-90 %. Основной фактор, сдерживающий массовое производство электромобилей – дороговизна и несовершенство аккумуляторов.

Свинцово-кислотные аккумуляторы обладают низкой ёмкостью и большой массой.

Никель-металл-гидридные аккумуляторы обладают недостаточной емкостью и неспособностью держать высокие токи разряда. В настоящее время актуальны литий-ионные аккумуляторы, но они тоже имеют проблему с обеспечением высокого тока нагрузки. Но наиболее перспективными на сегодняшний день являются литий-воздушные аккумуляторы. Также перспективным направлением является применение на гибридных и электрических автомобилях суперконденсаторов. На автомобилях и автобусах устанавливают, как правило, топливные элементы на протон-обменной мембране (PEM). Их основные преимущества: компактность, малый вес, низкая температура процесса.

В 2002 году Департамент Энергетики США (DoE) поставил цель – снизить к 2010 году стоимость топливных элементов до $45 за 1 кВт установленной мощности и до $30 к 2015 году (в долларах 2002 года, без учёта инфляции). Это означает, что источник электричества для силовой установки мощностью 100 кВт. (134 л. с.) будет стоить $3000, что сопоставимо со стоимостью двигателя внутреннего сгорания[12–18].

Совершенствование PEM топливных элементов продолжается. Они становятся легче, компактнее, дешевле. Теперь могут запускаться при температуре минус 30 °C.

Автомобили с силовыми установками на водородных топливных элементах производят и испытывают:

Ford Motor Company – Focus FCV;

Honda – Honda FCX;

Hyundai – Tucson FCEV (топливные элементы компании UTC Power);

Nissan – X-TRAIL FCV (топливные элементы компании UTC Power);

Toyota – Toyota Highlander FCHV;

Volkswagen – space up!;

General Motors;

Daimler AG – Mercedes-Benz A-Class;

Daimler AG – Mercedes-Benz Citaro (топливные элементы компании Ballard Power Systems);

Toyota – FCHV-BUS;

Thor Industries – (топливные элементы компании UTC Power);

Irisbus – (топливные элементы компании UTC Power);

и другие единичные экземпляры в Бразилии, Китае, Чехии и т. д.

С 2003 года по 2006 год 36 автобусов по программе Clean Urban Transport for Europe проехали более 2 млн км. и перевезли 6 млн пассажиров.

Экономичность топливных элементов.

Opel Zafira с силовой установкой на водородных топливных элементах мощностью 94 кВт. в условиях Вашингтона потребляет 1,83 кг водорода на пробег 100 миль (160 км.), то есть 4,3 литра бензинового эквивалента. Водород на заправочной станции Вашингтона продавался по цене $4,75 за кг (данные на 2005 год)[18].

Бензиновый аналог Opel Zafira с двигателем объёмом 1,6 л. мощностью 85 кВт. потребляет 5,8 л. бензина на 100 км в условиях трассы.

National Renewable Energy Laboratory (США) в своих расчётах использует среднюю дальность пробега легкового автомобиля 12000 миль в год (19200 км.), потребление водорода – 1 кг на пробег 60 миль (96 км.). То есть одному легковому автомобилю на водородных топливных элементах в год требуется 200 кг водорода, или 0,55 кг в день. Один килограмм водорода считают равным по энергетической ценности одному галлону бензина (3,78 л)[12–18].

Железнодорожный транспорт.

Железнодорожные двигательные установки должны развивать довольно большую мощность, тогда как размеры железнодорожных двигательных установок имеют малое значение.

Железнодорожный транспорт представляет собой огромный рынок сбыта для силовых установок на водородных топливных элементах. В настоящее время около 60 % грузов по железной дороге во всём мире перевозят тепловозы.

Железнодорожный исследовательский технологический институт (Япония) планирует запустить поезд на водородных топливных элементах в эксплуатацию к 2010 году.

Поезд сможет развивать скорость 120 км/ч., дальность пробега на одной заправке – 300–400 км. Прототип был испытан 18 февраля 2004 года[18].

В США эксплуатация локомотива на водородных топливных элементах мощностью 2 тысячи л.с. должна была начаться в 2009 году[18].

Локомотив создавался с 2003 года при участии Министерства обороны США (DoD) для нетактических военных целей и коммерческих приложений[19]. В Дании водородный поезд курсирует между городами Vemb, Lemvig и Thyboron.

Протяженность маршрута – 59 км, что ограничено ёмкостью водородных баков.

Проект получил название Danish Hydrogen Train Project[20] Разработки водородного железнодорожного подвижного состава также ведутся в Японии компаниями Hitachi[20^ Kinki Sharyo[18].

Институт транспорта и инфраструктурных систем Fraunhofer (Германия) создал прототип гибрида трамвая и автобуса. AutoTram оснащен водородным топливным элементом и маховиком, который заряжается при торможении и разгоняет вагон при старте. Прототип имеет длину 18 метров, но институт заявляет, что возможно создание 56-метровых вагонов вместимостью 300 пассажиров. Топливный элемент производства компании Ballard Power Systems, маховик компании CCM Nuenen. 10 кг водорода хранится на крыше. AutoTram развивает скорость 60 км/ч.[12–18].

Водный транспорт.

Hydrogen challenger – германский танкер. Производит водород на борту из энергии ветра.

Для внедрения водородных топливных элементов в морской транспорт в Европе в 2003 году был создан консорциум FellowSHIP (Fuel Cells for Low Emissions Ships) [12–18].

В консорциум FellowSHIP входят компании Det Norske Veritas (DNV), Eidesvik Offshore, MTU CFC Solutions, Vik-Sandvik и Wärtsilä Automation Norway.

Также в Европе созданы:

Консорциум Fuel Cell Boat BV. В консорциум входят компании: Alewijnse, Integral, Linde Gas, Marine Service North и Lovers.

Некоммерческая ассоциация Водорода и Топливных Элементов на Морском Транспорте (Marine Hydrogen & Fuel Cell Association MHFCA). В ассоциацию вошли 120 организаций.

Цели ассоциации: разработка планов применения водорода на морском транспорте, установление контактов для совместных исследовательских проектов, определение приоритетов для развития, преодоление барьеров, разработка кодов, стандартов и правил использования водородных технологий в морских приложениях.

В Германии производятся подводные лодки класса ^212с топливными элементами производства Siemens AG. U-212стоят на вооружении Германии, поступили заказы из Греции, Италии, Кореи, Израиля. Под водой лодка работает на водороде и практически не производит шумов.

Испанская судостроительная компания Navantia, S.A. планирует начать производство подводных лодок класса S-80 с силовыми установками на PEM водородных топливных элементах мощностью 300 кВт. Водород производится на борту подводной лодки из этанола.

Поставщик топливных элементов компания UTC Power (США). S-80 предназначены для охраны побережья. Применение водородных топливных элементов позволит сократить уровень шумов, и увеличить время нахождения под водой.

Эксплуатация Zemships началась летом 2008 года.

Исландия планирует перевести на водород все рыболовецкие суда. Для производства водорода будет использоваться геотермальная энергия и энергия ГЭС. [12–25].

Авиация.

Самолёт Boeing с силовой установкой на топливных элементах. Первый пилотируемый полёт самолёта с силовой установкой на PEM топливных элементах мощностью 20 кВт. состоялся 3 апреля 2008 года[12–18].

[12–24]. Проект разрабатывался компанией Boeing и группой европейских компаний. Топливные элементы производства компании UQM Technologies (США).

Fraunhofer Institute (Германия) разрабатывает беспилотный вертолёт с силовой установкой на водородных топливных элементах. Вес топливного элемента – 30 грамм, мощность 12 ватт, [12–18].

Также беспилотные летательные аппараты с топливными элементами разрабатываются компаниями США и Израиля.[12–21].

Вспомогательный транспорт.

Вспомогательный транспорт – эксплуатирующийся на ограниченных пространствах: складах, аэродромах, крупных промышленных производствах, военных базах и т. д. Наиболее активно водородные топливные элементы устанавливаются на складские вилочные погрузчики. Чуть менее половины новых топливных элементов, установленных в 2006 году на транспортные средства, были установлены на складские погрузчики. Замена аккумуляторных батарей на топливные элементы позволит значительно сократить площади, занимаемые аккумуляторными цехами. Для обслуживания аккумуляторов 12 погрузчиков требуется 370 кв.м., тогда как водородная заправочная станция занимает площадь 18,5 кв.м. (данные испытаний Wal-Mar). На заправку водородом одного погрузчика требуется всего около 2 минут. Крупные распределительные центры площадью 90000 м2 требуют 100–300 погрузчиков и по три комплекта аккумуляторов на каждый погрузчик. Аккумуляторы меняются по 300 раз в сутки. Крупные розничные сети (Wal-Mart, Kroger, Target, Sysco, SuperValu, Aholdи т. д.) управляют парком 5000-20000 складских погрузчиков.

В 2009 году в США начался активный перевод складских погрузчиков на водород.

Свои погрузчики на водород начали переводить компании: Nestle[12–18], розничная сеть H-E-B (Техас) [12–18], Anheuser Busch[12–18], Nissan[12–18], GENCO[12–18], Coca-Cola[12–18], и другие

Другие виды транспорта.

Велосипед с водородными топливными элементами производства китайской компании Shanghai Pearl. Экспорт в Испанию начался в мае 2008 года.

Водородные топливные элементы устанавливаются на велосипеды, мотоциклы, скутеры, подводные лодки и др.

Бортовое питание.

Водородные топливные элементы могут использоваться для бортового питания самолётов, морских судов, крупных грузовиков. Для бортового питания могут применяться SOFC топливные элементы.

В 2006 году производители топливных элементов совместно с Европейским Агентством Авиационной Безопасности (EASA) начали разрабатывать стандарты сертификации топливных элементов для самолётов.

Airbus выступает координатором европейского проекта New Configured Aircraft (CELINA).

Проект работает над снижением веса и размеров топливных элементов мощностью 400–600 кВт. 40 % электроэнергии Airbus A330-300 будет вырабатывать в водородных топливных элементах. Разработчикам поставлена цель – увеличить это количество до 60 %.

Первые лётные испытания установки для бортового питания на водородных топливных элементах мощностью 20 кВт. проведены Airbus в феврале 2008 года на самолёте Airbus A320 [12–18].

Использование силовых установок на водородных топливных элементах на самолётах позволит снизить уровень шума, потребление топлива и выбросы парниковых газов.

Boeing также разрабатывает SOFCтопливные элементы для бортового питания. Силовая установка мощностью 440 кВт. позволит сократить потребление керосина на 75 % во время стоянки на земле. Боинг планирует завершить разработки к 2015 году.

В марте 2008 года во время экспедиции STS-123 шаттла Endeavour топливные элементы производства компании UTC Power преодолели рубеж в 100 тысяч операционных часов в космосе [12–18].

Водородные топливные элементы производят энергию на борту шаттлов с 1981 года.

Факторы, сдерживающие внедрение водородных технологий.

1. Отсутствие водородной инфраструктуры; 2. несовершенные технологии хранения водорода; 3.отсутствие стандартов безопасности, 4.хранения, транспортировки, применения и т. д.;5. безопасное хранение водорода требует большего объёма топливных баков, чем для бензина.

Поэтому в разработанных на сегодняшний день автомобилях замена топлива на водород приводит к значительному уменьшению объёма багажника. [12–18]. Возможно в будущем эта проблема будет преодолена, но скорее всего за счёт некоторого повышения габаритов транспорта.

В Италии заработала первая в мире водородная электростанция [12–22].

Крупнейшая итальянская энергетическая компания Enel начала эксплуатацию водородной электростанции, не выбрасывающей в атмосферу парниковых газов. Электростанция, не имеющая пока аналогов в мире, располагается в Порто-Маргера, промышленном пригороде Венеции. Предприятие мощностью 12 МВт работает на водороде, поставляемом местным нефтехимическим заводом Polimeri Europa Электроэнергии, вырабатываемой новым предприятием, достаточно для удовлетворения нужд 20 тысяч семей. Благодаря новой станции объемы выбросов углекислого газа сократятся на 17 тысяч тонн в год.

В конце 2006 года компания Enel начала выполнение пятилетнего плана, касающегося использования возобновляемых источников энергии.

Водородная электростанция была построена в рамках проекта Hydrogen Park, который предусматривает проведение исследований в области водородной энергетики и инвестиции в чистые источники энергии в размере 7,4 млрд евро до 2012 года.

 

12.15. Этапы перехода к водородной энергетике

Как наиболее реальными и экономически подтвержденными можно представить следующие основные этапы перехода к водородной экономике.

1 этап – 2010 г. Замена на автотранспорте нефтяных моторных топлив на природный газ в том числе – на сжиженный (СПГ), инфраструктура которого близка жидководородной.

2 этап – 2012 г. Наряду с применением в качестве моторного топлива СПГ, использование водорода в качестве добавки (5 – 8 %) к основному моторному топливу в ДВС или в электрохимических генераторах гибридных двигателей.

3 этап – 2020 г. Получение водорода с частичным использованием ВИЭ (по прогнозу их доля в производстве электроэнергии в мире возрастет до 18 – 20 %) и переработанного угля.

4 этап – 2050 г. Перевод всех видов энергетики и транспорта на водород, производимый преимущественно от ВИЭ (к этому периоду их доля в выработке электроэнергии в мире составит примерно 40 %), термоядерной энергии и угля. Актуальность скорейшего перехода к водородным проектам позволила бы накопить опыт практической работы по созданию и освоению водородных технологий (производству, накоплению, транспортировки, созданию заправочных станций и др.), разработке необходимых для их безопасной эксплуатации кодов и стандартов, начать подготовку квалифицированных специалистов, повысить уровень доверия городского населения по отношению к водородному топливу. В конечном счете уровень освоения водородных технологий по прогнозам специалистов будет в будущем определять энергетическую и экономическую безопасность страны.[12–23].

Рис. 12-9. Электростанция на водороде.

 

12.16. Водородный беспилотный самолет завершил первый испытательный полет

В январе 2011 г. беспилотный самолет на водородном топливе «Global Observer» удачно приземлился в Калифорнии на базе военно-воздушных сил США в Эдвардсе, удачно завершая первый испытательный полет.

В течение воздушного экзамена водородный беспилотник провел в воздухе 4 часа и достиг высоты полтора километра над уровнем моря. Этот тест был продолжением испытаний начавшихся в августе 2010 года, которые включали первый полет водородного дрона, но при этом моторы самолета питались обычными химическими аккумуляторами.

Проект Global Observer обошелся в 140 миллионов долларов, и был разработан компанией AeroVironment в рамках программы «Демонстрация возможностей современных технологий», призванной развивать современные технологии, имеющие перспективу использования в военных целях. Данный водородный летательный аппарат предназначен для длительных автономных полетов в воздушных слоях стратосферы, и сможет выполнять некоторые функции современных спутников, но при этом обходиться в десятки раз дешевле как с финансовой, так и с экологической точек зрения.

Летательный аппарат длиной 21 метр имеет размах крыльев 53 метра и приводится в движение четырьмя высокоэффективными электромоторами, которые отвечают за вращение двулопастных пропеллеров. Электричество генерируется водородным двигателем внутреннего сгорания, поэтому самолет имеет нулевой углеродный след в процессе эксплуатации.

Рис. 12–10. Беспилотный самолет на водороде.

Это уникальный самолет может находиться в воздухе 5–7 дней на высоте от 15–20 тысяч метров над уровнем моря. Водородный беспилотник спроектирован так, чтобы его мог поднимать транспортный самолет типа C-130, так как весит он всего 180 кг.

Global Observer – первая адекватная замена дорогостоящему орбитальному спутнику, так как позволяет вести наблюдение за поверхностью Земли и поддерживать беспрерывную связь в любом уголке планеты 24 часа в сутки, 7 дней в неделю и 365 дней в году, то есть так долго, как это будет необходимо.

Находясь в стратосфере, беспилотный аппарат не зависит от погодных условий и способен обслуживать площадь диаметром 1000 км.

Области применения.

Согласно информации, предоставленной компанией-разработчиком водородного самолета, в мире нет аналогов Global Observer по надежности, дальности и времени полета. Заявленные высоты эксплуатации исключают влияние метеоусловий и воздушного трафика на выполнение поставленных задач.

Новый самолет может проводить наблюдение, фотосъемку, отслеживать изменение погоды, выполнять роль спутника связи. В военных целях этот аппарат будет использоваться для разведки и координации движения войск, следить за перемещением нелегальных военных формирований.

Компания продолжит испытания самолета, постепенно увеличиваю высоту и дальность полета, параллельно совершенствуя конструкцию и доводя самолет до готовности к серийному производству.

Рис. 12–11. Беспилотный аппарат в стратосфере.

 

Литература

12-1.Биоводород, ru.wikipedia.org.

12-2.Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии www.pereplet.ru.

12-3.Создан дешевый катализатор для получения водорода из воды www.ria.ru.

12-4.Алюминий выделил водород из воды при комнатной температуре., www.Infox.ru.

12-5.Видимый свет и фотокаталитическое получение водорода. www.chemport.ru.

12-6.Preparation and enhanced visible-light photocatalytic H2-production…

www.xlink.rsc.org.

12-7.Дух Маат – …двигатель, работающий на водороде, полученном из воды., www.spiritofmaat.ru.

12-8.Бензиновый двигатель, работающий на водороде, полученном из воды www.spiritofmaat.ru.

12-9.Газ Брауна., www.shram.kiev.ua.

12-12-10.Водородная энергетика и двигатели внутреннего сгорания на основе воды и водорода. www.o8ode.ru.

12-11.Легасов В. А. 1980, Атомно-водородная энергетика и технология, М., 1978, с. 11–36;

12-12. Мищенко А. И., Применение водорода для автомобильных двигателей,

К., 1984; McAul-iffe Ch. A., Hydrogen and energy, Ц., 1980.

12-13.Необычное сырье для водородной энергетики: Новости химии…

www.chemport.ru.

12–14. Электролитическая ячейка по получению водорода из мочи., Chem.

Commun., 2009, DOI: 10.1039/b905974a

12-15. Биоводород – Википедия.

12-16. Весь раздел «Современные технологии»., www.

12-17. Аэробное производство биоводорода. www.chemport.ru.

12–18. Водородный транспорт – Википедия., ru.wikipedia.org.

12-19. Водородный транспорт.,

www.baryshnikovphotography.com.

12-20. Гибридные виды транспорта – n1.docx bib.convdocs.org.

12-21. Беспилотные летательные аппараты (БЛА) зарубежных стран…

www.modernarmy.ru.

12-22. В Италии заработала первая в мире водородная… – Компьюлента

www.compulenta.ru.

12-23. Этапы перехода к водородной энергетике – Вода www.o8ode.ru.

12–24. Водородный беспилотный самолет завершил первый… www.facepla.net

12–25. Водородное топливо., www.student.zoomru.ru.

 

13.1. Биотопливо нового поколения – син-газ

Газификация древесины и другого лигноцеллюлозного сырья в течение многих лет является одним из основных методов производства низкокалорийного топливного газа. Топливный газ может быть непосредственно использован в котельных, обжигательных печах и разного вида топках, а после охлаждения, очистки и осушки – в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания. Состав получаемых при газификации газов зависит от природы применяемого сырья, типа окислителя, температуры процесса и давления. Наибольшую ценность представляет среднекалорийный газ, особенно синтез-газ (в основном состоящий из СО и Н2). При газификации древесины получают синтез-газ (син-газ), который по составу идентичен синтез-газу, вырабатываемому газификацией угля, паровой конверсией природного газа и др.

Пиролиз биомассы осуществляется при ее нагревании в отсутствии кислорода с образованием жидкого топлива, газов и древесного угля. Выход продуктов пиролиза зависит от условий проведения процесса и типа сырья. В свою очередь, условия процесса определяются природой сырья, заданными продуктами производства.[13-1]

Синтез-газ или син-газ – смесь монооксида углерода и водорода. В промышленности получают паровой конверсией метана, парциальным окислением метана, газификацией угля или органических отходов. В зависимости от способа получения соотношение СО:Н2 варьирует от 1:1 до 1:3. Основные области использования: получение монооксида углерода и водорода, производство метанола, оргсинтез, синтез Фишера-Тропша. [13-2,13-3].

 

13.2. Термохимическая конверсия биомассы

Широкую известность получил процесс превращения биомассы в жидкое топливо пиролизом со ступенчатым испарением, где в качестве сырья используются твердые городские отходы, древесная кора и др. [13-1]

Основными технологическими узлами установки являются отделения для предварительной обработки древесины, производства синтез-газа, реакторное и секция для разделения продуктов ожижения. В отделении для предварительной обработки древесины биомасса (в виде древесной щепы) высушивается, измельчается и смешивается с рециркулирующей частью производимого жидкого топлива. Полученная суспензия нагревается до 200 °C и под давлением 23 МПа подается в реактор, где в присутствии раствора углекислого натрия в качестве катализатора и смеси газов оксида углерода и водорода (поступающего из отделения производства синтез-газа после очистки последнего от СО2 и Н2О) при температуре 340 °C и давлении 23МПа происходит ожижение биомассы.

Неочищенная жидкая фракция содержит, кроме образовавшегося жидкого топлива, непрореагировавшую древесину, катализатор и нерастворимые твердые вещества, для очистки от которых она направляется в сепараторное отделение. Извлеченные из неочищенного жидкого топлива твердые вещества и водорастворимый катализатор возвращают в систему. Общий тепловой КПД промышленной установки (с учетом всех потерь) составляет 50–60 %.

Основными преимуществами превращения биомассы методом термохимической газификации являются высокие эффективность и скорость превращения. К недостаткам процесса относится возможность переработки сырья только с низким содержанием влаги, а также высокие температура и давление, сложные техническое оформление и управление процессом.

Рис. 13-1 Схема получения продуктов из твердого органческого сырья через синтез-газ.

Продукты, получаемые на основе синтез-газа.

Альтернативные технологии получения качественных моторных топлив включают стадии газификации твердого сырья в смесь CO и Н2 и последующего синтеза углеводородных смесей, используемых в качестве бензина, дизельного топлива или компонентов моторных топлив по схеме (рис. 13-1).

Жидкие продукты процесса Фишера-Тропша, образующиеся из синтез-газа на промотированных железных или кобальтовых катализаторах, содержат преимущественно неразветвленные парафиновые углеводороды. Фракции этих жидких продуктов могут использоваться в качестве дизельных и турбинных топлив с минимальной переработкой.

Осуществление процесса Фишера – Тропша в жидкой фазе с использованием суспензии катализатора дает возможность перерабатывать синтез-газ с высоким содержанием CO в качественные жидкие топлива. Применение синтез-газа с высоким отношением CO\H2 позволяет исключить стадию конверсии CO водяным паром, которая обычно используется для получения дополнительного количества Н2, и повысить термическую эффективность процесса.

 

13.3. Обзор современных технологий газификации биомассы [13-4]

Термохимическая газификация представляет собой процесс частичного окисления углеродсодержащего сырья, такого, как биомасса, торф или уголь с получением газообразного энергоносителя – генераторного газа. Полученный газ состоит из монооксид углерода, водорода, метана, диоксида углерода, небольшого количества углеводородных соединений более высокого порядка, таких как метан и этан, содержит пары воды, азот (при воздушном дутье) и различные примеси, такие как смолы, частицы углистого вещества и золы. В качестве окислителя при газификации могут использоваться воздух, кислород, пар или смеси этих веществ. Максимальная температура процесса составляет 800…1300 °C. [13-4]. При воздушной газификации получают низкокалорийный газ 4…6 МДж/м3.

Газификация с использованием кислорода дает среднекалорийный газ (10… 12 МДж/м3), пригодный для ограниченной транспортировки по трубопроводу и для использования в качестве синтез-газа целью получения метанола и газолина. Среднекалорийный газ (15…20 МДж/м3) может быть получен также путем паровой (пиролитической) газификации..[13-4]. По типу слоя сырья и способу подвода окислителя основные технологии могут быть разделены на газификацию в плотном (неподвижном) слое с восходящим/ нисходящим/ поперечным движением газа, газификацию в кипящем слое (стационарный КС, ЦКС, два реактора КС) и газификацию в потоке.

Газификация Биомассы с целью получения тепловой энергии достигла коммерческого уровня… Наиболее известными сегодня являются газификаторы с ВДГ Bioneer компании Bioneer Oy (теперь Foster Wheeler Energia Oy, Финляндия) и реакторы PRM Energy Systems, Inc. (США), газификаторы с ЦКС Pyroflow компании A. Ahlstrom Oy (теперь Foster Wheeler Energia Oy) а также компаний Lurgi Energie und Umwelt (Германия) и TPS Termiska Processer AB (Швеция). Foster Wheeler Energia Oy входит в состав Foster Wheeler Corporation с главным офисом в США В мире имеется около 25 производителей газификаторов с НДГ и более 10 производителей газификаторов с КС и ЦКС; ряд компаний выпускает реакторы с ВДГ и другие виды. [13-4].

К крупным производителям газификаторов относятся PRIME-NERGY Inc. (США, ВДГ), Babcock & Wilcox Volund ApS (Дания, ВДГ), KARA Energy Systems BV (Нидерланды, НДГ, КС), Kvaerner Pulping AB Power Division (Швеция, ЦКС), Future Energy GmbH (Германия, НДГ, газификация в потоке). [13-4].

В середине 1980-х гг. VTT и Bioneer Oy провели широкомасштабные исследования по газификации различных видов сырья, таких как древесная щепа, лесные отходы, торф, солома, гранулы из горючей части ТБО, смесь угля с древесной щепой, смесь горючей части ТБО с древесной щепой. Исследования были выполнены на пилотном газификаторе Bioneer мощностью 1,5 МВт. Содержание пара в воздушном дутье поддерживалось в пределах 0,15…0,19 кг Н2О/кг сухого воздуха. Мощность газификатора при проведении исследований составляет 50…100 % от номинальной мощности. Типичный состав генераторного газа при работе на древесной щепе влажностью 41 %: СО 30 %, Н2 11 %, СН43 %, N2 49 %; высшая теплота сгорания 6,2 МДж/нм3. Концентрация смол в сухом генераторном газе находилась в диапазоне 50…100 г/нм3.[13-4].

Газификатор Bioneer с восходящим движением газа.

Газификатор Bioneer с ВДГ разработан в Финляндии компанией VTT в сотрудничестве с SME Company. Bioneer проводит низкокалорийный генераторный газ с большим содержанием смол. Генеторный газ может применяться на тепловых станциях 1…15 МВтт и мини-ТЕЦ 1…3 МВт, на дизельных электростанциях после каталитической очистки, а также в сушильных и технологических печах. В 1982–1986 гг. были построены девять газификаторов Bioneer (4…5 МВтт) и введены в эксплуатацию на коммерческом уровне в Финляндии и Швеции. Газификаторы Bioneer полностью автоматизированы и достаточно терпимы к характеристикам используемого сырья (фракционный состав, влажность). Поскольку эти газификаторы работают только с целью получения теплоты, большое содержание смол и пыли в генераторном газе не вызывает проблем. В настоящее время технология газификации, подобная Bioneer, предлагается также компанией Carbona Oy (Финяндия). На тепловой станции Kauhajoki (Финяндия) мощностью 5 МВт газификатор Bioneer работает в паре с котлом. Газификатор состоит из питателя, шахтного реактора, футерованого огнеупорным материалом и вращающейся конусной решетки. Сырье подается в газификатор сверху и, перемещаясь вниз, проходит последовательно зоны сушки, пиролиза, газификации и горения. Зола, оставшаяся после горения, удаляется через решетку в нижней части газификатора. Температура в зоне горения регулируется путем изменения влажности воздушного дутья. Воздух и пар подаются в газификатор снизу через вращающуюся решетку. Генераторный газ по короткой теплоизолированной трубе поступает в горелку, сконструированную специально для сжигания низкокалорийного газа газификатором Bioneer, прочистка каналов, по которым проходит генераторный газ, выполняется каждые 2–6 недель в зависимости от свойств сырья и мощности газификатора.[13-4].

Газификатор Pyroflow с циркулирующим кипящим слоем.

Газификатор Pyroflow с ЦКС разработан компанией A. Ahlstrom Oy. Первый коммерческий газификатор мощностью 35 МВтт установлен в 1983 г. для обжиговой печи компании Wisa-forest Oy (Финляндия). После этого еще три газификатора мощностью 15…35 МВт были установлены для коммерческого использования полученного газа в обжиговых печах в Швеции и Португалии. Простая технология газификации, реализованная на ТЭЦ Kymijarvi, подходит только для древесной биомассы и чистой горючей части отходов. При такой технологии много золы вместе с генераторным газом попадает в угольный котел. Использование ряда других потенциальных видов биомассы (солома, энергетические культуры) и отходов (промышленные, ТБО) практически невозможно, поскольку они содержат большое количество хлора, щелочных металлов и алюминия, которые вызывают коррозию и засорение трактов котла.[13-4].

Газификатор Lurgi с циркулирующим кипящим слоем.

Немецкая компания Lurgi Energie und Umwelt – разработчик и производитель газификаторов с циркулирующим кипящим слоем.

Первый коммерческий газификатор мощностью 27 МВт был установлен в 1987 г. на крупной бумажной фабрике в Австрии и работал на древесной коре. Процесс газификации протекал при давлении около 1 бара, проведенный ГГ частично охлаждался и сжигался в печи для обжига извести. Степень конверсии углерода в этом газификаторе оказалась существенно ниже, чем ожидалось (всего 84 %) вследствие высокого уноса частиц сырья в циклон. Генераторный газ используется в кальцинаторе цементной печи, обеспечивая 30…40 % необходимой тепловой энергии. Зола применяется для производства цемента. Газификатор работает только на достаточно чистой биомассе (древесных отходах), поскольку в противном случае это отрицательно сказывается на качестве цемента. Lurgi имеет также установки на электростанциях в Нидерландах и Италии.[13-4].

Газификатор PRM Energy Systems с восходящим движением газа.

PRM Energy Systems (США) более 20 лет специализируется на коммерческих газификаторах ВДГ и имеет 19 установок, работающих на пяти континентах мира. Ежегодно на этих установках перерабатывается около 500 тыс. т биомассы, в основном, рисовой шелухи. Ряд установок также вырабатывают электроэнергию… Первые два коммерческих газификатора были внедрены на крупной фабрике по переработке риса в 1982 г. в США. Произведенный ГГ сжигается в коте, замещая потребление природного га, а пар используется в сушильных аппатах. С 1985 г. газификаторы этой компании работают в Австралии, с 1987 г. – в Малайзии, с 1995 г. – в Коста-Рике. Одна из последних установок PRM Energy Systems (4 МВтэ) построена в 2003 г. в Rossano (Италия). Она состоит из газификатора PRMES KC-18, системы охлаждения, очистки и контроля качества генераторного газа, а также шести газовых двигателей Guascor S.A. (Испания). Газификатор работает на жмыхе маслин (потребление 4500 кг/час) без какой-либо предварительной подготовки сырья. Газификационная система включает систему подачи и дозирования сырья, газификатор, выложенный изнутри огнеупорным материалом, автоматическую водоохлаждаемую систему беспрерывной выгрузки золы, многозонную систему подачи дутья и систему автоматики. Генераторный газ охлаждается водой в теплообменнике и поступает в скруббер, где происходит дальнейшее охлаждение и очистка от твердых частиц и смол. Смолы поступают обратно в газификатор, ГГ немного сжимается и подается в двигатели. Установка в Rossano – первая в мире газификационная установка, работающая на жмыхе маслин с целью про однако, в Италии газификатор Lurgi сейчас заменяется реактором компании Carbona Inc для производства электроэнергии [13-4].

Другие газификаторы.

Организация Wamsler Umwelttechnik GmbH (теперь Hugo Petersen Umwelten-gineering, Германия) имеет успешный опыт работ по созданию газификационных установок с нисходящим движением газа. В 1994 г. три такие установки тепловой мощностью 0,6…1,5 МВт были запущены в Германии, с 1998 г. работает демонстрационная установка мощностью 0,6 МВт. Wamsler также имеет опыт в очистке генераторного газа в скрубберах и эксплуатации газодизельного двигателя мощностью 200 кВт, работающего на генераторном газе. Институт технологий газа (Institute of Gas Technology, США) и фирма Enviro-power Inc. (совместное предприятие Tampella Power Systems, Финляндия, и Vat-tenfall AB, Швеция), теперь Carbona Inc. (Финляндия), провели работы по доведению до коммерческого уровня технологии газификации БМ под давлением с использованием парогазотурбинных установок. В рамках этой программы в г. Тамере (Финляндия) была сооружена и в 1993 г. запущена пилотная установка с гафикатором Tampella ЦКС мощностью 15 МВтт. Установка использовалась для отработки газификации под давлением и производства тепловой энергии. Было наработано более 2000 часов и переработано более 5000 т сырья. Сырьем для газификации служит смесь кокса, биомассы и угля. Биомасса представляет собой различные виды древесных отходов, солому и стебли люцерны. Сырье подвергается предварительному измельчению и просушке. Газификация протекает при температуре 8500 С и давлении 20 бар. Генераторный газ после выхода из газификатора проходит очистку в двух циклонах, устройстве по удалению серы и фильтре горячей очистки. После очистки одна часть газа возвращается в газификатор для создания дутья, другая – поступает в котел для выработки тепла. После котла продукты сгорания проходят через электростатический фильтр и выбрасываются в дымовую трубу [13-4]. Совместные работы Института технологий газа и Carbona Inc. закончились созданием коммерческого газификатора IGT RENUGASTM. Газификация в этом реакторе проходит при температуре 840…950 °C. Дутьем является смесь воздуха и пара. Воздух подается из компрессорной секции газовой турбины через бустер-компрессор, пар подводится из паровой турбины. Газификатор работает с т. н. «фонтанирующим» слоем, в котором происходит интенсивная циркуляция твердых частиц от верхней до нижней части ректора, что обеспечивает высокую скорость процесса газификации и максимальный уровень крекинга смол. В настоящее время установка описанной конструкции мощностью 8 МВт действует на сахарном заводе в Paia, Гавайи (мощность по сухому сырью 50 т/день). FERCO Enterprises, Inc. (США) в течение многих лет занимается разработкой и исследованием технологии газификации биомассы в двух реакторах кипящего слоя. Технология SilvaGas воплощена на демонстрационной установке в г. Бернгтон, США (60 МВт). Установка работает на БМ различного вида влажностью 10…50 % и производит среднекалорийный генераторный газ (17…19 МДж/нм3), который сжигается в котлах. В настоящее время FERCO Enterprises работает над проблемой использования ГГ в ПГТУ ВГ. Demag Delaval Industrial Turbo-machinery (Великобритания) продемонстрировала возможность сжигания ГГ SilvaGas в газовой турбине с минимальной модификацией ее конструкции. Разрабатывается концепция электростанции мощностью 23 МВт [13-4].

 

13.4. Экономические аспекты процесса газификации БМ с целью получения тепла

Газификатор Bioneer продемонстрировал хорошие техникоэкономические показатели работы, в том числе при частичной загрузке (85…90 %). Для обслуживания тепловой станции с газификатором Bioneer необходим персонал в количестве 3–4 чел. Эксплуатационная готовность газификатора 95…97 %. Удельные капитальные затраты составляют 420 долл./кВт, эксплуатационные затраты – около 20 долл./МВт. ч. Стоимость произведенной тепловой энергии 24 долл./МВт. ч [13-4]. В 1998 г. Foster Wheeler Energia Oy ввела в эксплуатацию новый газификатор Pyroflow стоимостью около 15 млн долл. на ТЭЦ Kymijarvi (Lahti, Финяндия). Газификатор был подсоединен к существующему угольному котлу. Производительность газификатора по топливу (древесная биомасса и горючая часть отходов) составляет около 300 ГВт. ч/год. С технологической точки зрения основной эффект от газификаторов Pyroflow, установленных в 1980-х гг. для обжиговых печей, состоит в том, что газификатор в Lahti перерабатывает сырье без сушки. Влажность топлива может доходить до 60 %. Мощность газификатора колеблется в диапазоне 40…70 МВт в зависимости от влажности и теплотворной способности сырья. Процесс проходит при атмосферном давлении и температуре около 850?С. Производится низкокалорийный генераторный газ (2,0…2,5 МДж/нм3) следующего состава: CO2 12,9 %, CO 4,6 %, H2 5,9 %, N2 40,2 %, H2O 33 %, CxHy 3,4 %. Газ очищается в циклоне, немного охлаждается в воздухоподогревателе (подготовка дутья для газификатора) и поступает в котел. В котле имеются две газовые горелки, расположенные ниже угольных. Генераторный газ замещает около 15 % угля, потребляемого котлом [13-4]. Авторы [13-4] методом компьютерного моделирования провели сравнение технико-экономических показателей двухстадийного газификатора, разработанного в Техническом университете Дании, и разновидности газификатора с НДГ – реактора с постоянным поперечным сечением (без горловины), в который биомасса подается непосредственно через открытый верх. Рассматривался случай работы газификаторов в составе миниТЭЦ. Мощность обоих газификаторов составляла 2 МВт, капитальные затраты – 1 млн Евро/МВт. Результаты исследования показали, что система с двухстадийным газификатором имеет больший КПД выработки электроэнергии (32,5 %), тогда как система с реактором с НДГ – больший КПД производства тепловой энергии (63,5 %). В целом работа мини-ТЭЦ с двухстадийным газификатором является чуть более экономичной – доход от продажи электроэнергии больше на 10 тыс. Евро/год по сравнению с газификатором с НДГ. В работе [13-4] выполнено сравнение катальных и эксплуатационных затрат двух газификаторов ЦКС – TPS (газификация при низком давлении) и Tampella (газификация при высоком давлении). Рассматривается вариант производства генераторного газа для использования в печах для обжига извести. Удельные капитальные затраты составляют 498 долл./кВт для TPS и 448 долл./кВт для Tampella. Эксплуатационные расходы (без учета стоимости сырья) составляют 4,6 % и 5,5 % от капитальных затрат для TPS и Tampella, соответственно. [4].

Рис. 13-2 Электрогенератор мощностью от от 50 кВт до 500 кВт. Работает на 100 % генераторном (синтез) газе из биомассы. [13-5].

Рис 13-3 Электростанция на генераторном (синтез) газе. [13-6].

Рис. 13-4 Электрогенератор мощностью 1 МВт, использующий син-газ. Китай. [13-7].

 

13.5. Производство электроэнергии при газификации биомассы

Рис. 13-5. Система Берман BES производства электроэнергии при использовании генератоного газа из биомассы. производителем.[13-8].

Рис. 13-6 Газификатор Бермана при сжигании биомассы в кипящемслое. [13-8].

Газификационная система основана на неподвижном слое газогенератора, или, как более сложные системы, на использовании технологии в кипящем слое.

 

13.6. Использование син-газа

К концу 50-х годов прошлого века в мире были созданы разнообразные газогенераторные двигатели мощностью от 1 до 5 400 л.с. Эти двигатели использовались в энергетике, качестве силовых агрегатов наземных (легковые и грузовые автомобили, трактора, тепловозы, мотовозы, дрезины, мотоциклы и др.) и водных (теплоходы, катера и другие самоходные плавсредства) транспортных средств, для привода сельскохозяйственных орудий и других агрегатов (мельниц, пилорам и т. п.), в коммунальных и в иных целях.[9].

Рис. 13-7 Автомобиль с газогенератором – автомобиль, двигатель которого получает в качестве топливной смеси газ, вырабатываемый газогенератором [13–10,13-11].

Рис. 13-8. Газификационная установка (электростанция) имеет высокую энергоэффективность. Так на выработку 1 кВт электрэнергии требуется примерно 1,3–1,8 кг рисовой шелухи или соломы или 1,1 – 1,6 опилок или лигнина.[13–10].

 

Литература

13-1.Третьяков В. Ф., Антонюк С. Н., Сысоев М. М., Альтернативный способ получения синтез-газа., Москва, 2003 г.

13-2. СИНГАЗ: биотопливо нового поколенияю.,

www.newchemistry.ru.

13-3. Процесс Фишера – Тропша – Википедия ru.wikipedia.org..

13-4.Т. А. Железная, Г.Г. Гелетуха., Обзор современных технологий газификации биомассы., www.biomass.kiev.ua.

13-5.Biomass Gas Generator-Biomass Gasification Power Plant., www.mrindus.com.

13-6.Biomass gasification power plant system Manufacturer – Chongqing Fengyu Electric Equipment Co., Ltd., www.ecvv.com.

13-7.Shengdong New Energy Co., Ltd

gasgeneratorsets.,en.ecplaza.net.

13-8.Gasification technology «berman besbermanbes.co.uk., www.

13-9.Газогенерторная отрасль в послевоенные годы. www.alternativenergy.ru.

13-10. Оборудование для газификации древесных отходов и… www.c-a– m.narod.ru.

13-11. Автомобиль с газогенератором., www.jeep4x4club.ru.

 

Широкий простор перед исследователями и производителями биоуглеводородов открывает генная инженерия.

Их промышленное производство может проходить по четырем основным направлениям.

 

14.1. Основные направления биопродуцирования углеводородов

1. Ферментация (ПРОИЗВОДСТВО УГЛЕВОДОРОДОВ ГЕНЕТИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННЫМИ МИКРООРГАНИЗМАМИ ИЗ УГЛЕВОДОВ РАСТЕНИЙ.): Ферментативный или химический гидролиз лигноцеллюлезы или гемицеллюлоз до сахаров с последующей конверсией-ферментацией ди– и моноуглеводов посредством генетически модифицированных микрорганизмов в разнообразные углеводороды. Этот процесс аналогичен тому, который используется для производства этанола из кукурузы или сахарного тростника, а также других углевод– или крахмалосодержащих продуктов: сладкого сорго, сахарной свеклы, древесины и т. д.

2. Газификация (ГАЗИФИКАЦИЯ, СИНТЕЗ-ГАЗ, КАТАЛИЗ): Твердая необработанная древесная биомасса подвергается термохимической газификации с образованием синтез-газа(смесь монооксида углерода и водорода). Синтез-газ является исходным материалом для каталитических химических реакций, таких, как синтез Фишера-Тропша, которые преобразуют синтез-газа в жидкое топливо.

3. Пиролиз (ПИРОЛИЗ, КАТАЛИЗ, ГИДРООЧИСТКА): Процесс похож на газификацию, но в отсутствии воздуха. Высокий нагрев приводит к нарушению сложной структуры лигнина для получения промежуточных биомасел. Как правило, эти биомасла впоследствии превращают в жидкое топливо через каталитическую реакцию.

4. Конверсия водорослей (БИОМАССА – БИОНЕФТЬ): В настоящее время имеется три основных пути для получения топлива из водорослей:

Модификация водорослей генной инженерией для эффективного образования биоуглеводорордов.

2) экстракция из водорослей биоуглеводородов как продуктов природного метаболизма с последующей химической обработкой.

3) Биомасса водорослей подвергается пиролизу с последующей гидроочисткой. Культуры водоросли преобразуются в полном объеме с помощью пиролиза (см. выше).

Во всех случаях, биоуглеводороды, полученные из водорослей, становится жидким топливом похожим на дизельное топливо или бензин.

 

14.2. Генномодифицированные продуценты биоуглеводорордов

Калифорнийская компания Amyris в партнерстве с производителем бразильского этанола группой Сан-Мартиньо на основании работ лаборатории Wackett и лаборатории Джеффри Института биотехнологии Университета Миннисоты разрабатывает проект производства биоуглеводородов генномодифицированными фотофиксирующими диоксид углерода микроорганизмами [14-1, 14-2]

В качестве такого модифицированного микроорганизма используется один из видов Shewanella.

Shewanella oneidensis – грамотрицательная, факультативно анаэробная бактерия рода Shewanella, обитающая предпочтительно на дне моря в анаэробных условиях, осадочных отложениях, также может быть найдена в почве. Способна восстанавливать соединения металлов. Галотолерантный (способен расти в 3 % растворе NaCl), факультативно анаэробный микроорганизм. Образует оксидазу и каталазу, не продуцируют индол, не сбраживают глюкозу. Способны восстанавливать триметиламин– N-оксид, оксиды железа[3], оксид марганца, оксиды хрома, растворённые соединения урана. Способна к образованию биоплёнок на поверхности субстрата, также способна к адгезии на поверхность оксидов металлов.

Геном.

Геном S. oneidensis штамма MR-1 состоит из хромосомы, представляющей собой кольцевую. молекулу ДНК размером 4969803 п.н. и содержащей 4561 гена, процент % Г+Ц пар составляет 45,96 %, и плазмиды pMR-1 размером 161613 п.н. и содержащей 184 гена, процент % Г+Ц пар составляет 43,69 %.

Институт биотехнологии Университета Миннисоты разрабатывает проект производства биоуглеводородов генномодифицированными фотофиксирующими диоксид углерода микроорганизмами, в частности, бактерией Shewanella oneidensis. Стоимость проекта 2.2 млн. Долл. США[1]. (Несколько видов из рода Shewanella, производящие углеводороды, толерантны к углеводородам, и могут быть модифицированы для получения более высоких количеств углеводородов. Министерство энергетики (DOE) вложила значительные средства в исследования, направленных на глубокое понимание фундаментальной биологии и Shewanella, которые будут использованы здесь.

 

14.3. Botryococcus braunii (Bb) продуцент углеводородов

Solazyme – калифорнийская биотехнологическая компания разработала платформу для производства возобновляемых биомасел из микроводорослей. Эти возобновляемые биомасла могут служить сырьем для широкого спектра продуктов, таких как дизельное топливо и топливо для реактивных двигателей, а также он используется в пищевой и косметической промышленности.[14-3].

Botryococcus braunii – зеленая микроводоросль. Этот вид отличается своей способностью производить большое количество углеводородов в виде Тритерпенов, около 30–40 процентов от их сухого веса.[14-4].

Длинноцепочечные углеводороды могут составлять до 86 % от сухого веса клеток. Подавляющее большинство этих углеводородов: алкадиены и алкатриены. Они могут быть сырьем для получения бензина, керосина и дизельного топлива.

Организм Botryococcus braunii рассматривается как потенциальный продуцент возобновляемого топлива из-за его способности производить большое количество углеводородов. В зависимости от штамма и условий роста, до 75 % от сухой массы водорослей может быть углеводородами. Химическая природа углеводородов варьирует в зависимости от штамма-продуцента. Три расы B. braunii были зарегистрированы, и они могут быть дифференцированы на основе характеристик углеводородов, которые они производят. А-раса производит углеводороды с длиной цепочки от C25 до C31, n-алкадиены, и триены. В-расса производит тритерпеноидные углеводороды, известные как botryococcenes (CnH2n-10, N = 30–37), по-видимому изопреноидного происхождения. L-расса производит ликопадиены и C40 тетратерпены. [14-5].

B. braunii конвертирует в углеводороды до 3 % солнечной энергии[14-5]. Будучи фотосинтетическим организмом, водоросли могут фиксировать атмосферный CO2. Следовательно, сжигание углеводородов водорослей не является чистым донором для концентрации СО2 в атмосфере. Тепловое значение углеводородов биомассы варьирует в диапазонах между 30000 и 42000 кДж / кг[14-5] ТЭС мощностью 100МВт с использованием угля или жидкого топлива, получаемого из B. Braunii может сократить выбросы CO2 на 1,5 х 105 т / год [5]. Потенциально, значения выбросов CO2 может быть уменьшено за счет повышения эффективности фиксации СО2 водорослями. Значительные усилия уделяются достижению этой цели.

Расы В. Braunii [14-6].

Участвует три расы B. braunii: A, B, L. Расы могут быть дифференцированы в целом на основе С-характерных углеводородов, которые они производят. Возгонка дает нечетные н-алкадиены и алкатриены от C25 до C31, Эти линейные олефины могут составлять до 61 % от сухой массы зеленой клетки активного состояния колоний (хх Gelpi и соавт., 1970). Два необычных углеводорода, триен C27H51 и тетраен C27H48, были выделены из штамма В. braunii, обитающего в озере Over-juyo, Боливия.

В-раса образуют полиметилированные ненасыщенные тритерпены – , называемые ботрикокценами-botryococcenes (CnH2n-10, N = 3037). Botryococcenes могут существовать в виде изомеров с тем же числом атомов углерода, но разные по структуре. В природных популяциях, botryococcene может составлять от 27 до 86 % от сухой массы клеток [14-6]. L-раса дает одно углеводородное вещество-C40H78, тетратерпены, известный как ликопадиен [14-6]. Этот углеводород составляет от 2 до 8 % от сухой биомассы [14-6]. Еще одно отличие между расами цвет колонии в стационарной фазе. B и L расы водоросли превращаются в красно-оранжевый и оранжевокоричневый из зеленого цвета активного состояния. А-раса водоросли получается бледножелтого цвета из зеленого. Это различие связано с накоплением кето-каротиноидов (кантаксантина, эхиненона, адониксантина и т. д.) в стационарных фазах В и L рас.

БИОСИНТЕЗ и накопление непредельных углеводородов

Раса А B. braunii продуцирует неизопренодные углеводороды: алкадиены и триены. Структурное сходство (местах двойных связей), и стереохимия алкадиенов напоминают, что это олеиновой кислоты (18:1, цис-ю9). Эти и другие данные свидетельствуют о том, что олеиновая кислота является прямым предшественником N-алкадиенов. Внутриклеточная концентрация олеиновой кислоты остается относительно низкой во время быстрого накопления углеводородов (например, в экспоненциальной и в начале линейного фазы роста), но когда образование углеводородов снижается (фаза замедления) концентрация олеиновой кислоты резко возрастает [14-6].

Системы Удлинения декарбоксилированием B. braunii является неспецифической и может принимать как олеиновую кислоту, так и элаидиновую кислоту (18:1, транс-ю9), чтобы продуцировать как цис-, так и трансдиены. Существует система Изомеризации, которая преобразует олеиновую кислоту в элаидиновую кислоту.

Раса B продуцирует изопреноидные соединения с необычными 1'-3 слиянием изопреновых единиц в центре цепи. Эти соединения известны как botryococcenes. Несколько биосинтетических механизмов для синтеза botryococcenes были предложены. Исследования показывают, что C30 botryococcene, исходная молекула для высших гомологов, построена из двух молекул фарнезил дифосфата, полученного из фарнезола под действием фарнезол фосфокиназы [14-6]. Пресквален дифосфат, полученный из фарнезил дифосфата через карбеновое дополнение в олефиновую двойную связь [14-6], является членом chrysanthemyl видов (1'-2-3 плавленых соединений). Циклопропилкар-бонил катион, генерованный ренлизом пирофосфата приводит к 1'-3 (artemisyl), 2–1'-3 (santolinyl), и 1'-1 (голова к голове) структурам.

Ботриококцены, принадлежащие к семейству artemisyl структур, формируются за счет перестройки циклопропилкарбинильного предшественника, в этом случае C30 катион (R = Cl1H19), в реакции прекращался путем передачи гидрида от NADH или NADPH к аллильному катиону [14-6].

В. braunii является потенциально хорошим возобновляемый источником полезных углеводородов, полисахаридов и других специальных химических продуктов. Каталитический крекинг водорослевых углеводородов имеет достаточно высокий октановый рейтинг для использования в качестве моторного топлива.

В настоящее время производство фотосинтезированных мазутов не конкурирует с топливами нефтяного происхождения. Одна из причин этого является относительно низкая скорость роста В. braunii. Гены синтеза углеводородов из B. braunii были клонированы в других микроорганизмов. Это потенциально может увеличить темпы производства и уменьшить проблемы, связанные с высокой вязкостью В. braunii бульонов. Существенные усилия необходимо приложить, чтобы культура В. braunii была использована в крупномасштабных системах.

 

14.4. Биобензин и биокеросин

БИОБЕНЗИН – Благодаря новому катализатору, разработанному в США, открываются возможности получения дешевого моторного топлива из биомассы. Катализатор, состоящий из наночастиц металла и углеродных нанотрубок, находится на границе раздела фаз между водной и масляной фазами, и может оказаться весьма полезным для превращения сырой биомассы в моторное топливо.[14-7].

В США специалисты и эксперты рассматривают развитие биотопливной промышленности как ускоренный вариант развития нефтяной промышленности. Широкие возможности по производству «зеленого» бензина из биомассы открывают химико-каталитические процессы, основанные на использовании новых твердых катализаторов..

БИОКЕРОСИН – керосин, полученный из биомассы.

Возможные сырьевые источники для получения биокеросина – это синтетические биотоплива, полученные из син-газа по технологии Фишера-Тропша, и биодизельное топливо, полученное гидрогенизацией растительных масел.

Ученые из Канады и Индии предлагают различные способы получения углеводородов из генномодифицированных диатомовых водорослей, клетки которых имеют жесткую оболочку из диоксида кремния.[14-8].

Углеводороды представлены в диапазоне от C7-Cl2 соединений и α, β, γ и δ-ненасыщенными альдегидами

УНИКАЛЬНЫЙ ГРИБ – ПРОДУЦЕНТ УГЛЕВОДОРОДОВ ИЗ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ.

Ученые из университета штата Монтана (США) обнаружили Уникальный гриб тропических лесов, который образует из целлюлозы био-углеводороды, в том числе близкие к дизельному топливу [14-9].

Рис. 14-1 Гриб Gliocladium roseum – уникальный продуцент углеводородов.[14-9]

Уникальный гриб, который продуцирует дизельные соединений был обнаружен, в деревьях в тропических лесах… Гриб является потенциально совершенно новым источником экологически чистой энергии и ученые сейчас работают над созданием производства своего потенциального топлива.

Это единственный организм, который ранее не был известен как продуцент важных топливных веществ. Гриб может даже синтезировать эти дизельные соединения из целлюлозы, которая сделает ее лучшим источником биотоплива, что мы используем в данный момент.

Гриб, который был назван Gliocladium roseum, производит целый ряд различных углеводородных молекул, которые входят в состав дизельного топлива. Это биологическое топливо получило название «мико-дизель» или «грибное топливо».. Gliocladium roseum живет внутри дерева Ulmo в Патагонских тропического леса.

Когда исследовали газовый состав G. roseum, оказалось, что этот гриб продуцирует множество углеводородов и углеводородных производных. Результат был совершенно неожиданным. В тропическом лесу, G. roseum производит много длинноцепочечных углеводородов и других биологических молекул. Выращенный в лабораторных экспериментах гриб, синтезировал углеводороды, близкие к нефтяному дизельному топливу. G. roseum, однако, может сделать мико-дизель непосредственно из целлюлозы. Это означает, что если гриб будет использован для промышленного производства углеводородов из целлюлозы, то – это огромный шаг в решении проблемы моторных биотоплив.

 

14.5. Производство био-изобутанола и далее био-jet-реактивного топлива [14–10]

Успех любой новой отрасли заключается в ее способности к инновациям и росту. Будущий рост возобновляемых видов топлива может потребовать переход от продуктов первого поколения, таких как этанол и биодизель, к продуктам нового поколения, таких как изобутанол.

Изобутанол, форма биобутанола, имеет много исключительных характеристик, которые позволяют его использовать в различных формах:

• "как есть", т. е. в качестве растворителя или для подмешивания к бензину;

• Старинная, через известные процессы, к различным углеводородам для использования в нефтехимической и / или нефтеперерабатывающей промышленности;

• В существующем производстве, распределении, маркетинге и конечных пользователях активов.

В этой статье подчеркивается технологии, сырье и возможности роста рынка для изобутанола, с акцентом на потенциальные новые предложения для рынка в 2012 году.

Технология получения био-изобутанола.

Специализированный процесс производства био-изобутанол является ферментация в паре с интегрированной технологией разделения. Этот подход, разработанный за последние семь лет, был успешно доказан в лабораторных масштабах, на демонстрационной установки экспериментального завода мощностью на 3.8 тыс. тонн в год. В мае 2012 года первый в мире коммерческий, завод по производству био-изобутанола был пущен в Luverne, Миннесота, с мощностью 68.7 тыс. тонн.

Модификация биокатализатора.

Изобутанол является естественным продуктом брожения во многих технологиях, таких как выпечка хлеба и производстве шотландского виски, однако коммерческое использование изобутанола до сих пор было ограничено. Тем не менее, за счет инноваций в области микробиологии и биохимии, традиционные дрожжи были изменены, что делает возможным иметь значительно более высокую селективностью в производстве изобутанола, то есть, используя способности дрожжей, чтобы биосинтезировать изобутанол при ограничении путей производства этанола.

Уникальное запатентованное разделение.

Получение изобутанола: изобутанол удаляется из ферментационной среды, а оставшийся бульон возвращается для дальнейшего преобразования. Это имеет эффект сохранения концентрации изобутанола ниже уровня токсичности биокатализатора, но она позволяет улучшить конверсию.

Ведущая компания в области био-изобутанола преобразовает некоторые этанольные заводы для производства изобутанола.

По сравнению с этанолом, изобутанол имеет гораздо более низкое Давление пара по Рейду ((RVP)) и на 30 % более высокое содержание энергии. Октановое число изобутанола выше также. Изобутанол также имеет более низкое содержание кислорода (O 2), что позволяет лучше смешиваеться с бензином, чем этанол. Больший объем смешивания, а также более высокое содержание энергии, тем больше возобновляемый идентификационный номер (RIN) поколения.

В отличие от этанола, который полностью смешивается с водой, изобутанол имеет ограниченную растворимость в воде (около 8,5 %). Изобутанол также не вызывает коррозионного растрескивания под напряжением в трубопроводах. Эти факторы приводят основные преимущества в плане логистики смешивания. Изобутанол может быть смешан как возобновляемое топливо бензином на нефтеперерабатывающем заводе и поставляются трубопроводами в качестве топлива на терминалы через существующую инфраструктуру, что в перспективе позволит отказаться от разделения емкостей и трубопроводов. Это также дает переработчикам возможность еще раз произвести спецификацию готового бензина по сравнению с субоктановым подмешиванием для кислородсодержащих смесей.

Био-изобутанол как возобновляемого сырья для BioJet [14–11].

На углеводородном заводе в Silsbee, Техас было продемонстрировано получение изопарафинового керосина (ИПК) BioJet из биоизобутанола. Процесс приведен на рис. 14-5.

Рис. 14-2. Блок-схема Процесс получения ИПК(изопарфириновый керосин) реактивного топлива из изобутанола

Производство IPK BioJet из био-изобутанола включает в себя три последовательных этапа:

1. Перевод возобновляемого изобутанола в изобутилен обезвоживанием;

2. Олигомеризация изобутилена (в основном тримеры / тетрамеры) для производства C 12 и C 16 молекул;

3. Гидрирование олефинов в ИПК BioJet.

Эти процессы представляют возможности для модернизации существующих нефтехимических активов. Коммерциализация процесса и интеграции его в существующий завод должны быть простыми.

Следует отметить, что как возобновляемые, так смеси бензина с изобутанолом и изооктанем (2,2,4-триметилпентен – непредельный углеводород алифатического ряда. Химическая формула: С(СН3)3– CH2– CH(CH3)=СН2) не привязаны к переработке нефти, поэтому они не могут иметь эффект волатильности сырой нефти. Опять же, изобутилен ((СН3)2С=СН2 – ненасыщенный углеводород, изомерен бутилену)., Изооктен и изооктан (2,2,4-триметилпентан) также может быть отводится для производства других возобновляемых нефтехимических продуктов (например, PX-пароксилен).

Этот процесс BioJet был продемонстрирован в небольшом (мощность 46 м3 за месяц) блоке в течение нескольких месяцев. Алкогольный (ATJ) продукт был продан ВВС США в рамках процесса альтернативных сертифицированных видов топлива (AFCO). На рис. 14-6 изображен завод в Silsbee, Техас.

ИПК BioJet обладает некоторыми свойствами, которые повышают его стоимость. Низкая точка замерзания (-80 °C) и высокая устойчивость к окислению. Начиная с изобутанол, для возобновляемых IPK бы также создан RINs.

Рис. 14-3. IPK BioJet демонстрационной установки.

Применение Bio-изобутанола для получения возобновляемого параксилена (PX) для производства полиэтилен-терефталата (ПЭТ).

Как только было создано производство возобновляемых углеводородов, появилась возможность создавать возобновляемые источники углеводородов через традиционные или новые процессы. Один из таких новых процессов использует изооктен для получения PX, который затем может быть превращен в очищенную терефталевую кислоту (PTA), и далее в возобновляемый полиэтилентерефталат (ПЭТ) с помощью традиционных методов.

Рис. 14-4. Производство параксилена, смешанного бензина и/или реактивного топлива (BioJet) из био-изобутанола.

Опытная установка была создана для этого нового процесса, который дает PX с очень высокой селективностью по сравнению с другими ксилолами. Высокая селективность устраняет необходимость в этапах изомеризации ксилола, разделении и переработке. Кроме того, производство PX может быть интегрировано с остальным заводом биотоплива, как показано на рис. В зависимости от относительных количеств каждого возобновляемого продукта, даже водород, полученный на заводе PX, может быть использован в гидрирования BioJet.

 

14.6 Катализновые процессы производства углеводородного биотоплива [14–12]

В марте 2010 года, компании Virent и Shell объявили о первой в мире демонстрационной установке по получению Биобензина на основе Virent’s BioFor-ming® process. Демонстрационный завод в Мэдисоне, штат Висконсин может производить до 46000 литров (10.000 галлонов США) в год, который будет использоваться для испытаний в двигателях и во флоте.

Бензиновый продукт может быть получен с использованием цеолитов (ZSM-5). Используя катализируемую конденсацию, можно получить топлив для реактивных двигателей и дизельное топливо, и высокое октановое топливо можно получать с помощью обезвоживания / олигомеризации. [14–22].

 

14.7. BioForming

Virent’s BioForming технология основана на технологии новой комбинации водной фазы реформирования (АТР) с измененными обычной каталитической переработки. Технология APR был разработана в Университете Висконсина в 2001 году. BioForming технология расширяет полезность процесса APR путем объединения APR с катализаторами и системами реакторов, подобных тем, которые содержатся в стандартных нефтяных нефтеперерабатывающих и нефтехимических комплексах.[14–13]. В Нидерландах, компания Avantium Furanics разрабатывает процессы, в которых используется каталитическое обезвоживание / этерификация углеводов (например, целлюлозы, гемицеллюлоз, крахмала и сахарозы) для получения фурана, который может заменить нефтяные углеводороды. Они могут быть использованы для создания биотоплива, биополимеров и других продуктов. Этот процесс также может давать тепло и электроэнергию.

Производство следующего поколения зеленых углеводородов [14–14]

Канадская Компания Ensyn (Ottawa, Canada) лидер в области преработки растительной биомассы методом быстрого пиролиза (технология RTP)… владеет промышленными установками быстрого пиролиза для производства биомасла из древесной биомассы. При производстве биомасел твердую древесную биомассу взрывают в вихре горячего песка на подложке блока преобразования. Менее чем за две секунды древесина газифицируется. Затем генераторный газ конденсируется и извлекается в виде жидкого биомасла. Семьдесят пять процентов твердой древесной биомассы, введенной в систему RTP, превращается в высоко доходные биомасла. Жидкая древесина не смола (деготь). Это текучая жидкость, которая обрабатывается по технологии компании Ensyn в аналог сырой нефти, а также используется в качестве ресурса для изготовления других высокоценных биохимических продуктов. Остальные 25 процентов биомассы преобразуется в неконденсируемые газы и древесный уголь. Эти побочные продукты поступают обратно в подогреватель, чтобы обеспечить требуемую температуру для поддержания вихревого состояния песка при обработки. Больше энергии есть в газе и голец, чем требуется для управления этим процессом, поэтому подогреватель имеет избыток энергии. Ensyn использует этот излишек, чтобы высушить мокрую биомассу, которая прибывает на объект, а также поставляется другим потребителям промышленной тепловой энергии. С 1989 года заводы RTP компании Ensyn производили жидкие биомасла из твердой древесной биомассы с помощью запатентованного процесса быстрого термического пиролиза. Жидкое биомасло может заменить топливо, природный газ и уголь в широком спектр котельных приложений. Компания производит возобновляемые источники энергии в виде жидкого топлива, в отличие от газа или твердого топлива, что обеспечивает то, что известно как «развязки». С помощью развязки, производство может быть разделено временем и пространством от фактического использования продукта.

 

14.8. Химические вещества из углеводов Biorefinery [14–15]

Современные требования к надежности производства различных видов углеводородов, экологические и экономические проблемы побудили интерес к использованию ресурсов биомассы в качестве альтернативного источника углерода. Биопроизводства состоят из трех основных операций, аналогично используемым нефтехимическими заводами, кроме того, что они используют возобновляемые источники на основе растительных материалов вместо невозобновляемого углеводородного сырья.

Целлюлоза является наиболее распространенным органическим веществом на земле, по оценкам, годовой объем производства (со всех биосферных источников) около 90 млрд. тонн [14–15]. Гемицеллюлоза является еще одним из источников другого типа сахаров, в первую очередь ксилозы (сахар 5 – углерод). После выделения сахара из растительной биомассы его можно дополнительно подвергнуть химической, тепловой или биохимической переработке для создания портфолио видов топлива и химических веществ биологического происхождения.

Биорефининговая (Biorefining) промышленность находится в развитии, технологии быстро меняются. Типы продуктов, которые могут быть произведены из ресурсов биомассы разнообразны и огромны.

 

14.9. Изопрен

Изопрен – углеводород является одним из высоко требуемых товаров мирового рынка со стоимостью 1–2 миллиардов долларов/год. Он используется в производстве полимеров и синтетического каучука.

Изопентенил дифосфат (ИПП) является непосредственным предшественником изопрена и естественным полиизопреноидом. Два маршрута биосинтеза IPP были описаны: 1) у эукариот и архей, ИПП формируется хорошо известным путем через мевалонат. 2) в некоторых бактериях, альтернативный путь имеется – проходит через метилэритритол фосфат. [14–15].

Изопрен является прямой заменой для существующих высокостоймостных производств олефинов и биоуглеводороды могут служить прямым дропин (drop-in) в нефтехимической промышленности. Технология взламывания и реформирования длинных углеводородных цепей существует и коммерческое тестирование изопрена в стадии реализации. Процессы оптимизации темпов производства, урожайности, титры и допуски продукта необходимы. Генномодифицированные организмы для преобразования сахара в углеводороды должны быть разработаны.

 

14.10. Другие углеводороды

Длинноцепные углеводороды и эфирные липиды могут быть получены с использованием Vibrio furnissii. Бактерия изолирован от осадка сточных вод, продуцирует углеводороды в пределах от 15 до 24 атомов углерода из короткоцепных жирных кислот с наблюдаемым внеклеточным выходом выше, чем 120 % от сухого веса клеток [14–15]. Дальнейшее изучение показало, что V. furnissii M1 может производить различные углеводороды с использованием либо летучих органических кислот или сахара и обычно встречается в источниках органических отходов [15].

Несколько видов Arthrobacter были зарегистрированы как биосинтетики длинно'-цепных углеводородов C29 алкенов [14–15]. Возможность производить большое количество углеводородов из бактериальных источников является значительным.

 

14.11. Создание генномодифицированных штаммов водорослей-супер-продуцентов биоуглеводородов или Новая надежда К. Вентера: Синтетические Водоросли для биотоплива[14–16]

Команде Крейга Вентера (Джон Крейг Вентер (англ. John Craig Venter) – американский генетик, биолог и бизнесмен-организатор науки.) не удалось найти водоросли, естественно продуцирующие углеводороды в объемах, необходимых для крупномасштабного производства биотоплива.

Крейг Вентер меняет его отношение к источникам биотоплива, переводя акцент с природного продуцирования углеводородов водорослями на их биопродуцирование механизмами «синтетической» биологии – генномодифицированными высокопродуктивными штаммами.

B 2011 г., К. Вентер отметил, что естественные штаммы водорослей не в состоянии произвести биотопливо в количествах, необходимых для производства его в промышленных масштабах.

По мнению Крейга Вентера Биотоплива, производство которых может быть масштабировано и конкурировать с нефтью, должны быть синтезированы специально созданными генномидифицированными штамами морских водорослей, но не исходными природными продуцентами. [14–17]. Природные фотосинтезирующие водоросли могут продуцировать около 15 т топлива на гектар в год. Для масштабируемого производства биотоплива потребуется около 74.7-149.4 т/га в год. С 2009 года компания Вентера Synthetic Genomics Инк (SGI) и научно-инжиниринговая компания Exxon Mobil (EMRE) сотрудничают (объем инвестиций 600 млн. долларов), чтобы выделить или создать штаммы водорослей, обладающих такой скоростью фотосинтеза, при котором производились количества, необходимые для коммерциализации водорослевого биотоплива.

SGI – это инженерно– синтетические эукариотические водоросли, которые могут производить до 73.6 т/га топлива, что в 5 – 10-раз больше от его естественного состояния. Потому что имеются сотни компонентов, которые преобразуют углекислый газ и солнечный свет в углеводороды в водорослях, это увеличение кажется тривиальным при проектировании синтетических водорослей, согласно К. Вентеру.

Вентер и его исследовательская группа весной 2010 года продемонстрировала успешно созданное ими первую синтетическую бактериальную клетку, которая была контролируема полностью синтетическим геномом. Или, как объяснил Вентер «это первая клетка, имеющая компьютер для родителей» или «разработанная ДНК на живой системе.» Такая полностью синтетическая клетка может представлять способ (метод, биотехнологию) на пути создания производства конкурентного водорослевого биотоплива. [14–17].

Для дальнейшего объяснения синтетического аспекта, дизайнерский организм может быть разработан только для выполнения определенной задачи, аналогично превращению сахара в этанол, который привел бы к очень эффективному процессу. Природные микробы, с другой стороны, имеют другие жизненные приоритеты, как репликации. Но синтетический организм может быть создан просто для выполнения только одной функции. [14–17]. "Нам нужно фундаментальное изменение о том, как мы рассматриваем все это, и теперь у нас есть технология, чтобы начать делать это," отмечает Вентер.

Однако, другие исследователи, изучающие биосинтез биотоплива, сомневаются, что генная инженерия есть самый быстрый путь к коммерциализации этих процессов..

"Есть некоторые серьезные проблемы, чтобы преодолеть использование новой синтетической водоросли как генетически модифицированного организма (ГМО), для всесторонней оценки которой потребуются десятилетия, прежде чем он может быть развернут в поле. Некоторые страны, такие как Япония и Франция, по-прежнему, не позволяют использовать ГМО кукурузу или даже продукты, такие как масло, крахмал, кукурузная мука", – подчеркнул исследователь биотоплива Рэнди Райан.

Райан разрабатывает систему выращивания водорослей для производства биотоплив по проекту Комплексное проектирование аквакультуры Raceway (АРИД) при поддержке Национального альянса перспективных биотоплива и биопродуктов. Его команда разработала проект, которая стремится создать прототип для выращивания водорослей на сельскохозяйственные масштабе.

Исследовательская группа Рейна создала технологию, удваивающую продуктивность водорослей с выходом биотоплива до 89.695.4 т на гектар.

Проект АРИД подчеркивает необходимость контроля температуры без дополнительного покрытия, отопления, или инфраструктуры. Вместо этого, чтобы максимизировать поглощение солнечного света и сохранение тепла, дизайн призывает к движению воды из неглубоких прудов в глубокий канал, сохраняя тепло от солнца и позволяя водоросли максимально метаболическую активность.

В конце концов, Райан считает, что максимизация рост водорослей приведет к коммерциализации водорослей биотоплива. Но как быстро это произойдет, зависит от финансирования этого исследования.

Компания Solazyme получила Водорослевую нефть в этом году и она планирует коммерциализировать эту технологию в ближайшие годы. Solazyme засекретила существующие эффективные штаммы водорослей и культивирование их дизайнерской водоросли в бродильных чанах без солнечного света путем подачи ему сахар, а затем на имеющихся промышленного оборудования извлекает углеводороды.[14–17].

 

14.12. Биотопливо из водорослей. Часть вторая: путь вперед [14–18]

Рис. 14-3 Пруды рисовых плантаций используется для выращивания микроводорослей.

В то время как биотопливо, производимое водорослями, показывает большие возможности (перспективы) над получением топлива из продовольственных культур – они могут быть выращены на пустырях и производить больше энергии на квадратный фут, чем любые другие культуры – но необходимо решить ряд задач на этом пути.

Многим компаниям эта задача оказалась «не по плечу». [14–18].

Среда для выращивания (открытый пруд против закрытого биореактор) и методы для удаления внутриклеточных компонентов водорослей являются двумя наиболее распространенными задачами для продвижения производства водорослевого биотоплива.

Есть два способа выращивания водорослей для производства биотоплива: в открытых водоемах и в закрытых биореакторах. Оба преимущества имеют свои плюсы и минусы: открытый метод дешевле и менее энергоемким. Закрытый метод позволяет лучше контролировать условия выращивания и защищает от загрязнений. Водоросли компания Solazyme растет его водорослей в закрытых резервуарах брожения, в то время как Sapphire Energy проводит прорывы в открытым способом пруда.

Компания Solazyme из Сан-Франциско стала известной весной 2011 года, использовала водоросли, как ответвление от основного бизнеса при производстве альтернативных химических веществ и средств личной гигиены, чтобы финансировать разработку по созданию работоспособной технологии производства водорослевого биотоплива в закрытых реакторах по цене и масштабам, что позволит ей конкурировать с нефтью.

В 2012 году, компания вступила в партнерские отношения с бразильским пищевым гигантом Bunge, создав совместную компанию Solazyme Bunge Produtos Renovaveis. Новое предприятие получило кредит в размере 120 млн от бразильского банка развития в строительство своего первого в промышленных масштабах завода водорослего топлива в Бразилии. Объект находится рядом с предприятием по размолу сахарного тростника в Сан-Паулу, что позволит его использовать сахар в качестве сырья. Компания Solazyme, который планирует быть готовой к масштабному производству водорослевого биотоплива к концу 2013 года до 100 тысяч тонн топлива в год, масштабируя до 300 000 метрических тонн к 2016 году.

Компания Solazyme также планирует производить до 20 тыс. метрических тонн водорослевой нефти в штате Айова к 2014 году и далее увеличить производство до 100 тыс. тонн.

Компания также предполагает пустить в эксплуатацию завод меньшего масштаба в в Пеории, штат Иллинойс.

Многие современные производители водорослевого биотоплива высушивают водоросли для дальнейшего извлечения натуральных углеводородов, что увеличивает время и затраты на процесс.

Инженеры-исследователи Мичиганского университета разработали способ “pres-sure-cook” для извлечения из сырых водорослей до 65 процентов биоуглеводородного сырья всего за минуту.

Одним из преимуществ мокрого метода является то, что он не просто извлекать существующую жира из водорослейон также разрушает белки и углеводы. Метод Мичиган одну минуту решает эту задачу настолько успешно, что полученное масло содержит около 90 процентов энергии в оригинальной водорослей: вблизи верхней границы того, что можно с водорослями, говорит Сэвидж.

По другую сторону Атлантики, исследователи из Университета Шеффилда в Англии сделали уборку водорослей легче с помощью создания дешевый способ получения микропузырьков, которые позволяют частицы водорослей всплывать на поверхность воды, что делает сбор урожая проще и экономит время и деньги. Процесс использует 1000 раз меньше энергии, чтобы произвести пузыри, чем предыдущие методы и может быть установлен на гораздо более низкой цене, говорят исследователи.

В проектах по производству водорослевых углеводородов активное участие принимают такие гиганты Exxon-Mobile и ВР.

Министерство энергетики США имеет свои виды на производство водорослевого биотоплива и выделило на эти цели грант $ 15 млн. для создания испытательного стенда в Аризоне. НАСА также выступил с инициативой развития технологий по производству водорослевого биотоплива с прицелом использовать их в космических путешествиях на дальние расстояния, например, для полетов на Марс.

Синтетическая биология цианобактерий: уникальные вызовы и возможности [14–19].

Фотосинтезирующие организмы, и особенно цианобактерии, весьма перспективны как источники для производства возобновляемого топлива, объемных и специальных химических веществ, а также пищевых продуктов. Инструменты Синтетической биологии могут помочь раскрыть потенциал этих функций в циано-бактериях, но, к сожалению развитие инструментария для этих организмов отстало по сравнению с успехами для S.cerevisiae и кишечной палочки. В то время как эти организмы могут во многих случаях быть более успешно работать в качестве «шасси» штаммов для синтетической биологии, чем некоторые гетеротрофы, уникальные преимущества автотрофов в применения биотехнологий, а также научное значение улучшеного понимания фотосинтеза приводит к необходимости разработки этих систем в чем-то сродни «зеленой E.coli. В настоящее время изучаются уникальные проблемы и возможности для развития синтетических подходов биологии в цианобактерий. Известны классические и недавно разработанные методы построения целевых мутантов в различных штаммах цианобактерий, и генетические инструменты могут наиболее значительно расширить возможности проектировать новые функции в таких штаммах. На основании известных достижений можно построить геном – макеты цианобактерий метаболизма и использовать эти модели для измерения свойств автотрофного метаболизма.

 

14.13. Использование катализатора H + ZSM-5

при Каталитическом пиролизе зеленых водорослей для производства углеводородов [14–20]

Проведены исследования по производству биоуглеводородов технологией быстрого пиролиза и модернизации углеводородных топлив с использованием биомассы водорослей. Для исследований для пиролиза использовали зеленую водоросль хлореллу. Пиролиз водорослей дал выход биоуглеводородов в количестве 52,7 мас.%, Применение катализатора (H (+) ZSM-5) увеличивает загрузку биомассы до девяти раз, выход ароматических углеводородов возрастает с 0,9 до 25,8 мас.%..

 

14.14. Биодизель из водорослей, Соединенные Штаты Америки [14–21]

Морские водоросли

Но какие растения имеют самый высокий выход углеводородов с гектара? Одним из наиболее урожайных является обычное китайское растение Tallow (5.25 т/га), что далеко до победителей – определенных видов водорослей, которые могут дать больше, 75 -112.6 т/га.

Для сравнения с обычными семенами масличных культур, например, соей – 375 кг/га, рапс – 976 кг/га. Водоросли могут быть очень легко и быстро расти и могут выдержать суровые условия, такие как соль / солоноватой воды и палящими лучами солнца пустыни.

Рис. 14-4. Открытые фермы водорослей, которые могут производить 75 т/га нефти

В августе 2008 года группа по возобновляемой энергетике (REG) ведущей компании в производстве биодизельного топлива в США, основанной в городе Эймс, штат Айова, объявила, что она разработала масштабируемую коммерциализационную технологию по переработке и производству больших объемов высококачественного биодизельного топлива из водорослей различных высоко доходных штаммов. Продукт превосходит настоящее ASTM D6751 и EN 14214 спецификации качества, установленных для коммерческих биодизелей.

 

Литература

14-1.Wackett research team wins $2.2 million grant to explore production of hydrocarbons using bacteria.,

www.bti.umn.edu/gateway/arpa_e.hj

14-2. Amyris Gives Up Making Biofuels: Update

www.technologyreview.com/

14-3. Solazyme – Wikipedia, the free encyclopedia.

14-4. Botryococcus braunii – en.wikipedia.org.

14-5. A Renewable Source of hydrocarbons and other chemicals… – Massey University www.massey.ac.nz. Botryococcus braunii – RFE Renewable Fuel @ Energy, www.rfeholland.com.

14-6. Transcriptome analysis of an oil-rich race A strain of Botryo-coccus braunii

www.tulips.tsukuba.ac.jp

14-7. Биотопливо – Википедия ru.wikipedia.org.

14-8. Researchers Propose Milking Diatoms to Yield Massive Amounts.,

www.greencarcongress.com.

14-9. Unique rainforest fungus makes bio-hydrocarbons, including diesel…

news.mongabay.com.

14-10. Bio-isobutanol: The next-generation biofuel – Hydrocarbon Processing www.hydrocarbonprocessing.com.

14-11. Bruce A. Babcock Iowa Ag Review2009, Vol. 15 No. 2 www.card.iastate.edu.

14-12. Catalysis – novel processes to produce hydrocarbon biofuels www.biofuelstp.eu.

14-13. BioForming | Virent, Inc. www.virent.com.

14-14. Producing the Next Generation of Green Hydrocarbons – Biomass.www.. biomassmagazine.com/..

14-15. Chemicals from Biorefinery Carbohydrates – BioWeb – Sun Grant.www.. bioweb.sungrant.org.

14-16. BioTechniques – Venter's New Hope: Synthetic Algae for Biofuels, www.biotechniques.com.

14-17. Craig Venter: Algae fuel that can replace oil will not come from nature www.gigaom.com.

14-18. Biofuel from Algae Part Two: The Way Forward news., www.thomasnet.com.

14-19. Bertram M. Berla, Rajib Saha, Cheryl M. Immethun, Costas

D. Maranas Tae Seok Moon, and Himadri B. Pakrasi., Synthetic biology of cyanobacteria: unique challenges and opportunities., Front Microbiol. 2013; 4: 246.

14-20. Catalytic pyrolysis of green algae for hydrocarbon production using… www.ncbi.nlm.nih.gov.

14-21. Biodiesel from Algae, United States of America www.hydrocarbons-www.technology.com.

14-22. Компания Virent., www.virent.com.