Биото́пливо — топливо из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов.
Различается:
1. жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например,этанол, метанол, биодизель),
2.твёрдое биотопливо (дрова, брикеты, топливные гранулы,пеллеты,щепа, солома, лузга)
3. газообразное (синтез-газ, биогаз, водород).
Поколения растительных биотоплив.
Растительное сырье разделяют на поколения.
Первыми начали использовать традиционные сельхозхозяйственные культуры с высоким содержанием жиров, крахмала, сахаров. Растительные жиры хорошо перерабатываются в биодизель. Растительные крахмалы и сахара перерабатываются на этанол. Однако такое сырье оказалось крайне неудобным: помимо затратного землепользования с истощением почв и высокими потребностями в обработке почв, удобрениях и пестицидах его изъятие с рынка прямо влияет на цену пищевых продуктов. Такое сырье относят к первому поколению.
Непищевые остатки культивируемых растений, травы и древесина стали вторым поколением сырья. Его получение гораздо менее затратно чем у культур первого поколения. Такое сырье содержит целлюлозу и лигнин. Его можно прямо сжигать (как это традиционно делали с дровами), газифицировать (получая горючие газы), осуществлять пиролиз. Основные недостатки второго поколения сырья — занимаемые земельные ресурсы и относительно невысокая отдача с единицы площади.
Третье поколение сырья — водоросли. Не требуют земельных ресурсов, могут иметь большую концентрацию биомассы и высокую скорость воспроизводства.
Виды топлив.
Биотоплива разделяют на твердые, жидкие и газообразные. Твердые — это традиционные дрова (часто в виде отходов деревообработки) и топливные гранулы(прессованные мелкие остатки деревообработки).
Жидкие топлива — это спирты (метанол, этанол, бутанол), эфиры, биодизель и биомазут.
Газообразные топлива — различные газовые смеси с угарным газом, метаном, водородом получаемые при термическом разложении сырья в присутствии кислорода (газификация), без кислорода (пиролиз) или при сбраживании под воздействием бактерий.
Твердое биотопливо.
Дрова — древнейшее топливо, используемое человечеством. В настоящее время в мире для производства дров или биомассы выращивают энергетические леса, состоящие из быстрорастущих пород (тополь,эвкалипт и др.).В России на дрова и биомассу в основном идёт балансовая древесина неподходящая по качеству для производства пиломатериалов.
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 называются пеллеты, они имеют форму цилиндрических или сферических гранул диаметром 8—23 мм и длиной 10—30 мм. В настоящее время в России производство топливных гранул и брикетов экономически выгодно только при больших объемах.
Основная статья: Лес
энергетический
Энергоносители биологического происхождения (главным образом навоз и т. п.) брикетируются, сушатся и сжигаются в каминах жилых домов и топках тепловых электростанций, вырабатывая дешёвое электричество.
Основная статья: Топливные
гранулы
Отходы биологического происхождения — необработанные или с минимальной степенью подготовки к сжиганию: опилки, щепа, кора, лузга, шелуха, солома и т. д.
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
Часто также: топливный торф, твёрдые бытовые отходы и т. д.
Биоэтанол.
Сахарный тростник — сырьё для производства этанола
Основная статья: БИОЭТАНОЛ
Мировое производство биоэтанола в 2005 составило 36,3 млрд литров, из которых 45 % пришлось на Бразилию и 44,7 % — на США. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного
тростника, а в США из кукурузы.
В январе 2007года, 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 2007года президент США Дж. Буш подписал закон о Энергетической независимости и безопасности (EISA of 2007). EISA of 2007 предусматривает производство 36 миллиардов галлонов этанола в год к 2022
году. При этом 16 млрд галлонов этанола будет производиться из целлюлозы — не пищевого сырья.
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
и 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 % С
2Н
5ОН 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.
Биометанол.
Промышленное культивирование и биотехнологическая конверсия морского фитопланктона рассматривается как одно из наиболее перспективных направлений в области получения биотоплива.
В начале 80
-x рядом европейских стран совместно разрабатывался проект, ориентированный на создание промышленных систем с использованием прибрежных пустынных районов. Осуществлению этого проекта помешало общемировое снижение цен на нефть.
Первичное производство биомассы осуществляется путём культивирования фитопланктона в искусственных водоемах, создаваемых на морском побережье.
Вторичные процессы представляют собой метановое
брожение биомассы и последующее гидроксилирование метана с получением метанола.
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.
Биобутанол.
Бутанол- C4H10O — бутиловый спирт. Бесцветная жидкость с характерным запахом. Широко используется в промышленности. В США ежегодно производится 1,39 млрд литров бутанола приблизительно на $1,4 млрд.
Бутанол начал производиться в начале ХХ века с использованием бактерии
Clostridia acetobutylicum. В 50
-x годах из-за падения цен на нефть начал производиться из нефтепродуктов.
БУТАННОЛ не обладает коррозионными свойствами, может передаваться по существующей инфраструктуре. Может, но не обязательно должен, смешиваться с традиционными топливами. Энергия бутанола близка к энергии бензина. Бутанол может использоваться в топливных
элементах, и как сырьё для производства водорода.
Сырьём для производства биобутанола могут быть сахарный
тростник, свёкла,кукуруза, пшеница, маниока, а в будущем и целлюлоза. Технология производства биобутанола разработана компанией DuPont Biofuels. Компании Associated British Foods (ABF), BP и DuPont строят в Великобритании завод по производству биобутанола мощностью 20 млн литров в год из различного сырья.
Диметиловый эфир.
Диметиловый
эфир (ДМЭ) — C
2H
6O.
Может производиться как из угля, природного
газа, так и из биомассы. Большое количество диметилового эфира производится из отходов целлюлозо-бумажного 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.
Биодизель.
Биодизель — топливо на основе жиров животного, растительного и микробного происхождения, а также продуктов их этерификации.
Для получения биодизельного топлива используются растительные или животные жиры. Сырьём могут быть рапсовое, соевое, пальмовое, кокосовое масло, или любого другого масла-сырца, а также отходы пищевой промышленности. Разрабатываются технологии производства биодизеля из водорослей.
Основная статья: Биодизель
Биотопливо второго поколения.
Завод пиролиза биомассы, Австрия
Биотопливо второго поколения — различное топливо, полученное различными методами пиролиза биомассы, или прочие виды топлива, помимо ьетанола, этанола, биодизеля произведенное из источников сырья «второго поколения».
Источниками сырья для биотоплива второго поколения являются лигно-целлюлозные соединения, остающиеся после того, как пригодные для использования в пищевой промышленности части биологического сырья удаляются. Использование биомассы для производства Биотоплива второго поколения направленно на сокращение количества использованной земли, пригодной для ведения сельского хозяйства. К растениям — источникам сырья второго поколения относятся
- Водоросли — являющиеся простыми организмами, приспособленными к росту в загрязненной или соленой воде (содержат до двухсот раз больше масла, чем источники первого поколения, таких как соевые бобы);
- Рыжик (растение)— растущий в ротации с пшеницей и другими зерновыми культурами.
- Ятрофа — растущее в засушливых почвах, с содержанием масла от 27 до 40 % в зависимости от вида.
Быстрый пиролиз позволяет превратить биомассу в жидкость, которую легче и дешевле транспортировать, хранить и использовать. Из жидкости можно произвести автомобильное топливо, или топливо для электростанций.
Из биотоплив второго поколения, продающихся на рынке, наиболее известны BioOil производства канадской компании Dynamotive и SunDiesel германской компании.
По оценкам Германского Энергетического Агентства (Deutsche Energie-Agentur GmbH) (при ныне существующих технологиях) производство топлив пиролизом биомассы может покрыть 20 % потребностей Германии в автомобильном топливе. К 2030 году
, с развитием технологий, пиролиз биомассы может обеспечить 35 % германского потребления автомобильного топлива. Себестоимость производства составит менее €0,80 за литр топлива.
Создана «Пиролизная сеть» (Pyrolysis Network (PyNe) — исследовательская организация, объединяющая исследователей из 15 стран Европы, США и Канады.
Весьма перспективно также использование жидких продуктов пиролиза древесины хвойных пород. Например, смесь 70 % живичного скипидара, 25 % метанола и 5 % ацетона, то есть фракций сухой перегонки смолистой древесины сосны, с успехом может применяться в качестве замены бензина марки А-80. Причем для перегонки применяются отходы дереводобычи: сучья, пень, кора. Выход топливных фракций — до 100 килограммов с тонны отходов.
Газообразное топливо.
Биогаз.
Биогаз — продукт сбраживания органических отходов (биомассы), представляющий смесь метана и углекислого
газа. Разложение биомассы происходит под воздействием бактерий класса метаногенов.
Основная статья: БИОГАЗ
Биоводород.
Биоводород — волород, полученный из биомассы термохимическим, биохимическим или другим способом, например водорослями.
Метан.
Метан синтезируется после очистки от всевозможных примесей так называемого синтетического природного газа из углеродосодержащего твердого топлива, такого как уголь или древесина. Этот экзотермический процесс происходит при температуре от 300 до 450 °C и давлении 1−5 бар в присутствии катализатора. В мире уже имеется несколько введенных в эксплуатацию установок получения метана из древесных отходов.
Биотопливо третьего поколения.
Биотопливо третьего поколения — топлива, полученные из водорослей.
Департамент
Энергетики США с 1976 года по 1996года исследовал водоросли с высоким содержанием масла по программе «Aquatic Species Program». Исследователи пришли к выводу, что Калифорния, Гаваии 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 СО
2. Урожайность составила более 50 гр. водорослей с 1 м² в день. 200 тысяч гектаров прудов могут производить топливо, достаточное для годового потребления 5 % автомобилей США. 200 тысяч 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 1990-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 ТЭС способно покрыть до 77 % потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей. Эта технология не требует жаркого пустынного климата.
