Биоэнергетика. Мир и Россия — страница 3 из 19

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

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

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

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

3.7.2.4. Диметиловый эфир (ДМЭ)

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

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, 18^th 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 6^th 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 21^st 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.

Глава 4. Технологии, используемые для производства исходного сырья из биомассы для синтеза моторных топлив разного класса