Биотопливо как перспективное направление биотехнологии
Альтернативные источники топлива. Использование растительного и животного сырья, продуктов жизнедеятельности организмов и органических промышленных отходов. История биологического топлива, его классификация по агрегатному состоянию и поколениям.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 03.03.2016 |
| Размер файла | 271,3 K |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
"Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина"
РГУ имени С.А. Есенина
Реферат
"Биотопливо как перспективное направление биотехнологии"
Учебный предмет: Введение в биотехнологию
Выполнил (а):
Иванова Каролина Александровна,
ЕГФ 4 курс, группа 5102, Б1.
Проверил:
доц. Сазонов В.Ф.
Рязань 2015
Содержание
- Введение
- 1. История возникновения биотоплива
- 2. Классификация биотоплива
- 2.1 Классификация биотоплива по агрегатному состоянию
- 2.1.1 Жидкое биотопливо
- 2.1.2 Газообразное биотопливо
- 2.1.3 Твердое биотопливо
- 2.2 Классификация видов биотоплива по поколениям
- 2.2.1 Биотопливо первого поколения
- 2.2.2 Биотопливо второго поколения
- 2.2.3 Биотопливо третьего поколения
- 3. Отрицательное воздействие биотоплива
- Заключение
- Список использованных источников
Введение
Актуальность работы: В наши дни становится очевидной ограниченность традиционных источников энергии, базирующихся на нефти, природном газе и угле. Поиск новых источников энергии - актуальная проблема, как для современной России, так и для всего мира. Существенную и все возрастающую роль в мировой энергетике начинают играть альтернативные источники энергии, основанные на использовании биоэнергии сырья различной природы [3].
При правильном подходе биотопливо может стать фактически неиссякаемым источником энергии. Спешность перехода на возобновляемые топлива обусловлена 3-мя факторами: отклонение климатического фона, увеличение спроса на энергию, шаткость доступа к истощимым ресурсам. В противоположность нефтяным, угольным и газовым ископаемым, применение топлив, производимых из возобновляемого сырья (в большей части случаев - биомассы), не повышает количества двуокиси углерода в атмосфере. Количество диоксида углерода образующегося при горении биомассы количественно точно соответствует двуокиси углерода, которую растение (основа топлива), усвоило в ходе собственного роста. Сохранение баланса, при котором сбор урожая будет равен количеству выращенных растений, позволит поддерживать содержание двуокиси углерода в атмосфере земли на одном уровне [1].
Цель данной работы является описать альтернативные источники топлива.
Для достижения поставленной цели предполагается решить комплекс взаимосвязанных задач:
1. По литературным данным рассмотреть основные виды биотоплива;
2. Рассмотреть основные плюсы и минусы биотоплива.
Объектом исследования является растительное и животное сырье.
Предметом исследования является учебная и научная литература, интернет - источники.
1. История возникновения биотоплива
B XIX веке быстрые темпы развития науки и техники привели к тому, что перед изобретателями различных двигателей встал вопрос о качественном топливе, которое обеспечивало бы работу новых механизмов. Первоначально более перспективным казалось использование именно биотоплива, которое применяли многие известные изобретатели и промышленники той эпохи.
Одним из первых изобретателей, который использовал биотопливо, был Сэмюель Мори. В 1826 году он предложил модель двигателя, который работал на спирте и скипидаре.
Немецкий изобретатель Николас Отто в 1876 году создал первый в мире четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, работавший на этаноле [3].
Слово "дизель" давно стало нарицательным. Немецкому инженеру-изобретателю Рудольфу Дизелю человечество оказало высокую и довольно редкую в истории техники честь, начав писать его имя со строчной буквы и называя так созданный Р. Дизелем поршневой двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия.Р. Дизель предложил тип мотора, использующего в качестве топлива арахисовое масло, и продемонстрировал его работу на Всемирной выставке в Париже в 1900 году [2].
Американский изобретатель Генри Форд изготовил в 1896 г. свой первый автомобиль. Он носил название "Квадрицикл" (Quadricycle), двигатель которого работал на спирте. А в 1908 г. Форд выпустил в продажу знаменитую "Модель Т" - первый в истории массовый автомобиль, который мог работать на бензине, этаноле и смеси обоих видов топлива. Форд использовал этанол, исходя и из экономических соображений: он считал, что "спиртовое" автомобилестроение предоставит фермерам возможность использовать при эксплуатации автомобилей дешевое топливо [3].
В начале ХХ века на планете были обнаружены значительные запасы нефти, объемы ее добычи увеличивались, бензин дешевел. Это определило потерю интереса к биотопливу. Правда, эпоха его забвения длилась недолго.
Вскоре спирт подешевел, поскольку его начали изготавливать из отходов сахарной промышленности. Этанол как топливо активно использовался многими странами мира во время Первой мировой войны (1914-1918 гг.). Уже после окончания войны, в 20-х годах, в Соединенных Штатах и многих европейских странах получают распространение смеси бензина и спирта.
В течение многих последующих лет этанол упорно пытался вытеснить бензин с господствующих позиций, но почти всегда проигрывал ему, окончательно исчезнув с рынка лишь после Второй мировой войны.
В современной истории интерес к альтернативным источникам энергии возник более 30-ти лет тому назад, в связи с введением в начале 1970-х годов странами ОПЕК эмбарго на поставку нефти в США и Западную Европу [5].
Судя по оценкам экономистов, расширение биотопливной индустрии становится экономически привлекательным, если мировые цены на нефть превышают 30-40 долларов за баррель. Надо заметить, что на сегодняшний день цена нефти уже превышает 100 долларов за баррель.
Кроме того, общеизвестно, что ископаемые углеводороды - богатейшее сырье, и лучше производить из него массу полезных вещей, чем сжигать в двигателях внутреннего сгорания и в различных топках. Ведь еще Д.И. Менделеев писал, что сжигать нефть - это все равно, что топить печь ассигнациями.
Поиск альтернативных источников энергии осуществлялся с целью получать ее из возобновляемых и практически неисчерпаемых природных ресурсов. Во внимание принимались также экологичность, экономичность и безопасность этих видов топлива. Биотопливо является как раз одной из разновидностей неисчерпаемых природных ресурсов, поскольку для его производства используется биомасса, синтезированная за счет биологической конверсии солнечной энергии [3].
В данный момент применение альтернативных источников энергии все еще ограничено, поскольку существующие до сих пор технологии использования этой энергетики, по сравнению с традиционной, являются довольно дорогими и недостаточно эффективными. В глобальном масштабе роль источников альтернативной энергии пока еще очень мала.
К настоящему времени производство биотоплива в развитых странах фактически вступило в третий этап своего развития. На первом этапе, с 80-х годов и до конца XX века, в центре внимания науки и бизнеса находилось производство биогаза. Второй этап производства биотоплива начал формироваться в начале XXI века. Он заключался в производстве жидкого моторного топлива в виде биоэтанола и биодизеля, соответственно из зернового, сахаросодержащего и масличного сырья. На смену второму этапу уже идет третий, характеризующийся переходом к производству жидкого биотоплива в виде биобутанола, бионефти и других продуктов горения [3].
2. Классификация биотоплива
Биотопливо - топливо из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов [6].
Биотопливо классифицируют следующими способами:
по агрегатному состоянию;
по поколениям [1].
2.1 Классификация биотоплива по агрегатному состоянию
Схема 1 - Классификация видов биотоплива по агрегатному состоянию [1]
2.1.1 Жидкое биотопливо
Жидкое биотопливо - вещество, получаемое в ходе переработки растительного сырья (кукурузы, рапса, сахарной свеклы, сахарного тростника), средствами технологий, в основе которых лежит использование естественных биологических процессов (например, брожения) является перспективным классом биотоплива. Его получают из самых разнообразных растений - от пшеницы и сахарной свеклы, до рапса и отходов деревообработки. Основное применение - двигатели.
Жидкое биотопливо подразделяется на:
биоэтанол;
биометанол;
биобутанол;
диметиловый эфир;
биодизель.
Биоэтанол - это обычный этанол, используемый как биотопливо и получаемый путем переработки растительного сырья - сахарного тростника, зерна и сахарной свеклы, а также рапсового метилового эфира из семян рапса. Наибольшая доля мирового производства жидкого (моторного) биотоплива приходится на биоэтанол.
Существует 2 основных способа получения биоэтанола - микробиологический (спиртовое брожение) и синтетический (гидратация этилена). Следствием брожения является раствор, содержащий не более 15% биоэтанола, поскольку в более концентрированных растворах дрожжи обычно гибнут. Полученный таким образом биоэтанол нуждается в очистке и концентрировании, обычнопутем дистилляции. В промышленных масштабах этиловый спирт получают из сырья, содержащего целлюлозу (древесина, солома), которую предварительно гидролизуют. Смесь, образовавшаяся при этом, подвергают спиртовому брожению.
Биоэтанол 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. Обычные машины не могут работать на Е85, хотя двигатели внутреннего сгорания работают на Е10. На "настоящем" этаноле могут работать только т. н. "Flex-Fuel" (этанольно-гибридные) машины. Эти автомобили могут работать на обычном бензине или на произвольной смеси того и другого. Причина популярности биоэтанола - экономическая эффективность его производства, т.к. при урожайности семян рапса 2-4 т/га с 1 гектара можно получить 1-1,5 тонны биоэтанола и 2-2,5 тонны высококачественных растительных кормов. Характеристики моторного топлива, получаемого из растений, близки к показателям минерального топлива. При этом вредные выбросы при его использовании топлива существенно меньше.
Одной из важнейших характеристик биоэтанола является топливный баланс (соотношение энергии выделяемой топливом к энергетическим затратам на его производство).
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.
Глобальное производство этанола на 2009 составило 73.9 млрд. литров, в 2010 - 85.9 млрд. литров (на 16.2% больше чем в 2009г.). В 2010 году производство этанола заместило потребность, эквивалентную 370 миллионам баррелей нефти.
В 2011 году из примерно 103,2 млрд. литров этанола, произведенного в мире, более 80 % (86,1 млрд. литров) были использованы в качестве биотоплива. Мировым лидером в области производства биоэтанола являются США - 54,2 млрд. литров, далее следует Бразилия - 22,9 млрд. литров.
Биоэтанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США - из кукурузы.
Производство биоэтанола из тростника на сегодняшний день экономически более выгодно, чем из кукурузы. Федеральное правительство США предоставляет производителям биоэтанола налоговый кредит (но не субсидии) до $0,51 за галлон биоэтанола. Бразильский биоэтанол дёшев из - за низких заработных плат у сборщиков сахарного тростника.
биологическое топливо агрегатное состояние
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.
Сейчас данное направление производства биотоплива считается одним из самых перспективных, т.к. отличается от других более высокой выработкой биомассы (до 110 т/га фитопланктона в год), отсутствием серьезных требований к производственной площадке (не требуются плодородные почвы и пресная вода, т.е. процесс не создает конкуренции сельскому хозяйству) и высоким уровнем энергоотдачи.
Вторичные процессы представляют собой метановое брожение биомассы и последующее гидроксилирование метана с получением метанола.
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.
Метанол - яд, действующий на нервную и сосудистую системы. Токсическое действие метанола обусловлено так называемым "летальным синтезом" - метаболическим окислением в организме до очень ядовитого формальдегида. Приём внутрь 5-10 мл метанола приводит к тяжёлому отравлению (одно из последствий - слепота), а 30 мл и более - к смерти.
При применении метанола в качестве топлива следует отметить, что объемная и массовая энергоемкость (теплота сгорания) метанола на 40-50 % меньше, чем бензина, однако при этом теплопроизводительность спиртовоздушныхибензиновых топливовоздушных смесей при их сгорании в двигателе различается незначительно по той причине, что высокое значение теплоты испарения метанола способствует улучшению наполнения цилиндров двигателя и снижению его теплонапряженности, что приводит к повышениюполноты сгорания спиртовоздушной смеси. В результате этого рост мощности двигателя повышается на 10-15 %. Двигатели гоночных автомобилей работающих на метаноле с более высоким октановым числом чем бензин имеют степень сжатия, превышающую 15: 1, в то время как в обычном карбюраторном ДВС степень сжатия для неэтилированного бензина как правило не превышает 10.1:
1. Метанол может использоваться как в классических двигателях внутреннего сгорания, так и в специальных топливных элементах для получения электричества.
Достоинства биометанола:
низкий объем выбросов углекислого газа;
возможность организовать переработку (рециклинг) отходов животноводства и сельского хозяйства.
Недостатки биометанола:
низкий энергетический КПД - максимум 68%;
бесцветное пламя, что может привести к аварийным ситуациям;
срок окупаемости проекта - до 20 лет;
метанол травит алюминий. Проблемным является использование алюминиевых карбюраторов и инжекторных систем подачи топлива в ДВС.
гидрофильность. Метанол втягивает воду, что является причиной засорения систем подачи топлива в виде желеобразных ядовитых отложений.
метанол, как и этанол, повышает пропускную способность пластмассовых испарений для некоторых пластмасс (например плотного полиэтилена). Эта особенность метанола повышает риск увеличения эмиссии летучих органических веществ, что может привести к уменьшению концентрации озона и усилению солнечной радиации.
уменьшенная летучесть при холодной погоде: Моторы, работающие на метаноле могут иметь проблемы с запуском и отличатся повышенным расходом топлива до достижения рабочей температуры.
метанол может сравнительно быстро попасть в источники питьевой воды и отравить её. Этот сценарий исследован пока недостаточно, но к сожалению существует опыт утечки Метил - трет-бутилового эфира и загрязнения воды.
Всего в мире насчитывается примерно 90 заводов по производству метанола. Темпы роста объемов их выпуска довольно низкие и составляют всего 4% в год.
В мире насчитывается всего 5 перспективных проектов, касающихся биометанола, среди них: BioMCN (Нидерланды, Европа), Smithfield Foods (Юта, США), North Shore Energy Technologies (в перспективе, США), Norin Green (в перспективе, Япония), Atlantic Biomass (в перспективе, США).
20% совокупного потребления метилового спирта как в чистом виде, так и в виде его производных приходится на долю транспортных средств. Несмотря на то, что к 2020 году доля биотоплив в транспортном секторе должна превысить 6%, доля биометанола останется довольно низкой - всего 0,2%.
Помимо применения метанола в качестве альтернативы бензина существует технология применения метанола для создания на его базе угольной суспензии которая в США имеет коммерческое наименование "метакол" (methacoal). Такое топливо предлагается как альтернатива мазута широко используемого для отопления зданий (Топочный мазут). Такая суспензия в отличие от водоуглеродного топлива не требует специальных котлов и имеет более высокую энергоемкость. С экологической точки зрения такое топливо имеет меньший "углеродный след", чем традиционные варианты синтетического топлива получаемого из угля с использованием процессов где часть угля сжигается во время производства жидкого топлива.
Биобутанол - (C4Hi0O, бутиловый спирт, бутанол) - бесцветная жидкость с характерным запахом сивушного масла. Бутанол начал производиться в 10-х годах XX века с использованием бактерии Clostridia acetobutylicum. Известны нормальный первичный бутиловый спирт СН3 (СН2) 3ОН, нормальный вторичный бутиловый спирт СН3СН2СН2 (ОН) СН3, изобутиловый спирт (СН3) 2СНСН2ОН, триметилкарбинол (СН3) 3СОН. ядовит.
В промышленности бутанол получают оксосинтезом из пропилена с использованием никель-кобальтовых катализаторов при 130 - 150°C и 20 - 35 Мпа.
Бутанол как и этиловый спирт (этанол) может быть получен:
путем переработки сахара или крахмала с/х растительных культур (биобутанол I поколения);
путем переработки целлюлозы растений (биобутанол II поколения);
путем синтеза химического сырья (бутанол).
Бутанол, произведенный из биомассы, принято называть биобутанолом, хотя он имеет абсолютно те же характеристики, что и бутанол, полученный из нефти (химического сырья).
Широко используется в промышленности. Бутанол не обладает коррозионными свойствами, может передаваться существующей инфраструктурой. Может смешиваться с традиционным топливом. Энергоемкость бутанола близка к энергоемкости бензина. Бутанол может использоваться в топливных элементах, а также как сырье для производства водорода.
Биобутанол по своей сути то же самое, что и биоэтанол, но только более калорийный и менее затратный при производстве. К тому же само производство биобутанола с технической точки зрения значительно проще, чем классического этанола.
Сырье для производства биобутанола:
сахарный тростник;
свекла;
кукуруза;
пшеница;
в будущем - целлюлоза.
При ацетонобутиловом брожении из 1 т картофеля можно получить 25 м водорода, 340 кг бутанола и 110 кг ацетона, то есть с 1 га картофельных плантаций - 875 м3 водорода, 12 т бутанола и 4 т ацетона, а из 1 т стеблей сорго - 30 м3 водорода, 114 кг бутанола и 40 кг ацетона, или с 1 га плантаций сахарного сорго - 900 м3 водорода, 3.4 т бутанола и 1.2 т ацетона.
Преимущества биобутанола перед биоэтанолом:
1. Бутанол содержит на 25% больше энергии, чем биоэтанол;
2. Бутанол безопаснее в использовании, поскольку в шесть раз меньше испаряется, чем биоэтанол и в 13,5 раз менее летуч, чем бензин. Это делает бутанол более безопасным при использовании в качестве оксигената и не требует особых изменений пропорций смеси при использовании зимой и летом;
3. Бутанол - гораздо менее агрессивное вещество, чем биоэтанол, поэтому может транспортироваться по существующим топливным трубопроводам, тогда как биоэтанол должен транспортироваться железнодорожным или водным транспортом;
4. Бутанол можно смешивать с бензином;
5. Бутанол может полностью заменять бензин, тогда как биоэтанол может использоваться только как добавка к бензину с максимальным содержанием в смеси не более 85% и только после существенных переделок двигателя. В настоящее время в мире преобладают смеси с 10% содержанием биоэтанола;
6. Производство бутанола помогает решить проблемы, связанные с инфраструктурой снабжения водородом;
7. Измененный бутанол имеет более высокий выход энергии (10 Вт-ч/г), чем биоэтанол (8 Вт-ч/г);
8. При горении бутанол не производит окислов серы или азота, что дает существенную дополнительную выгоду с точки зрения экологии.
Биобутанол более экономичен, чем смесь биоэтанола с бензином, он улучшает топливную эффективность автомобиля и увеличивает пробег на единицу расходуемого топлива.
Россия - крупнейший производитель и экспортер бутанола. За последние пять лет более 60% произведенного в стране бутилового спирта поставлялось потребителям на внешних рынках сбыта. Бутиловые спирты в России выпускают следующие предприятия (указаны в порядке убывания производственных мощностей):
"Салаватнефтеоргсинтез", "Сибур-Химпром", Ангарская НХК, "Невинномысский Азот".
В США ежегодно производится 1,39 млрд литров бутанола приблизительно на $1,4 млрд. Энергия бутанола близка к энергии бензина.
В 2007 году в Великобритании начались продажи биобутанола в качестве добавки к бензину.
Диметиловый эфир (ДМЭ, C2H6O) - экологически чистое топливо без содержания серы, содержание оксидов азота в выхлопных газах на 90% меньше, чем в бензине. Применение ДМЭ не требует специальных фильтров, но необходима переделка систем питания (установкагазобалонного оборудования, корректировка смесеобразования) и зажигания двигателя. Без переработки возможно применение на автомобилях с LPG-двигателями при 30% содержании в топливе.
Сырье для производства ДМЭ:
уголь;
природный газ;
биомасса;
отходы целлюлозно-бумажного производства.
В июле 2006 года Национальная Комиссия Развития и Реформ (NDRC) (Китай) приняла стандарт использования диметилового эфира в качестве топлива. Китайское правительство будет поддерживать развитие диметилового эфира, как возможную альтернативу дизтопливу. В ближайшие 5 лет Китай планирует производить 5-10 млн тонн диметилового эфира в год.
Департамент транспорта и связи Москвы подготовил проект постановления городского правительства "О расширении применения диметилового эфира и других альтернативных видов моторного топлива".
Автомобили с двигателями, работающими на диметиловом эфире разрабатывают KAMAZ, Volvo, Nissan и китайская компания SAIC Motor.
Биодизель - относительно новый вид экологически чистого топлива для производства которого используются жиры растительного, микробного и животного происхождения (а также получаемых из них эфиров). Производится биодизель, как правило, из растительного масла и поэтому является возобновляемым источником энергии. Биодизель может использоваться в обычных двигателях внутреннего сгорания без изменения их конструкции. Возможно применение биодизеля как самостоятельного вида топлива, так и в смеси с обычным (минеральным) дизельным топливом.
Сырье для производства биодизеля:
пальмовое, рапсовое, соевое и другие масла;
отходы пищевой промышленности;
морские водоросли.
Биодизель из рапса наиболее широко применяется в настоящее время в Европе.
Наиболее перспективным источником сырья для производства биодизеля являются водоросли. По оценкам Департамента Энергетики США с одного акра (4047м2 ~ 0,4га) земли можно получить 255 литров соевого масла, или 2400 литров пальмового масла. С такой же площади водной поверхности можно производить до 3570 барреля бионефти (1 баррель = 159 литров). По оценкам компании Green Star Products с 1 акра земли можно получить 48 галлонов соевого масла, 140 галлонов масла канолы и 10000 галлонов из водорослей.
Биодизель находит применение в автомобильных двигателях, использовать его можно как в чистом виде, так и в виде смесей с традиционном дизельным топливом. Обычно такие смеси маркируют, указывая процентное содержание биодизеля, так в США для обозначения смесей дизельного топлива с биодизелем используется буква B, после которой следует число, означающее процентное вхождение биодизеля (В2 - 2%, В100 - 100 %). Применение таких смесей не требует внесения конструктивных изменений в двигатели.
Экологический эффект от использования биодизеля:
попадание биодизеля в воду не причиняет вреда животному и растительному миру;
в почве и воде биодизель практически полностью распадается за 25-30 дней;
при сгорании биодизеля выделяется точно такой же объем углекислого газа, который был потреблен растениями, являющимися сырьем для его производства, за весь период жизни;
в отличие от классического дизельного топлива, биодизель почти не содержит серы.
Практико - технические достоинства биодизеля:
полученный в ходе производства биодизеля жмых можно использовать в качестве корма для скота, что позволяет наиболее полно использовать сырьевую биомассу;
производство биодизеля способствует вводу оборот низкокачественных неиспользуемых сельскохозяйственных земель;
биодизель обладает исключительными смазочными характеристиками. Минеральное дизельное топливо при устранении из него сернистых соединений теряет свои смазочные способности. Биодизель, несмотря на значительно меньшее содержание серы, характеризуется хорошими смазочными свойствами, что продлевает срок жизни двигателя. Это вызвано его химическим составом и содержанием в нём кислорода.
Высокое Цетановое число - для биодизеля (метиловый эфир) не менее 51, для минерального дизельного топлива - 42 - 45.
Увеличение срока службы двигателя. При работе двигателя на биодизеле одновременно производится смазка его подвижных частей, в результате которой, как показывают испытания, достигается увеличение срока службы самого двигателя и топливного насоса в среднем на 60%, нет необходимости модернизировать двигатель.
Высокая температура воспламенения. Точка воспламенения для биодизеля превышает 150°С, что делает биогорючее сравнительно безопасным веществом.
Побочный товар производства - глицерин, имеющий широкое применение в промышленности. Очищенный глицерин используют для производства технических моющих средств (например, мыла). После глубокой очистки получают фармакологический глицерин, тонна которого на рынке стоит порядка 1 тыс. Евро. При добавлении фосфорной кислоты к глицерину можно получить фосфорные удобрения.
Недостатки биодизеля:
В холодное время года необходимо подогревать топливо, идущее из топливного бака в топливный насос, или применять смеси 20 % биодизеля и 80 % солярки марки В20.
Долго не хранится (около 3 месяцев) [1].
2.1.2 Газообразное биотопливо
Газообразное биотопливо - продукт, получаемый в результате брожения биомассы или использования иных термо- и биохимических процессов, направленных на ее переработку. Наиболее распространенные вид газообразного биотоплива - биогаз, одной из разновидностей, которого является биоводород.
Биогаз - газ, получаемый в ходе брожения биомассы (органических отходов) посредством воздействия различных видов бактерий.
Биогаз состоит из метана (55-85%) и углекислого газа (15-45%), плохо растворим в воде, его теплота сгорания составляет от 21 до 27,2 МДж/м3. По теплоте сгорания 1 м3 биогаза эквивалентен: 0,8 м3 природного газа, 0,7 кг мазута, 0,6 кг бензина, 1,5 кг дров (в абсолютно сухом состоянии), 3 кг навозных брикетов.
Выход газа может достигать до 350 м3 из 1 тонны отходов и зависит от, собственно, вида сырья и применяемых технологий (из тонны навоза крупного рогатого скота и свиней получают до 70 м3 биогаза, 1 т куриного помета (при влажности 75%) - до 100 м3 биогаза, до 400 м3 биогаза можно получить из различных видов растений, до 1400 м3 метана получают из жира - это своеобразный "биогазовый рекорд").
В современной технологии производства биогаза последовательно используются три вида бактерий, каждый из которых питается продуктами
жизнедеятельности предыдущего:
гидролизные бактерии;
кислотообразующие бактерии;
метанобразующие бактерии.
Сырье для получения биогаза:
органические отходы;
фекальные осадки;
навоз;
птичий помёт;
пивная дробина;
свекольный жом;
трава;
бытовые отходы;
отходы рыбных и забойных производств;
энергетические культуры;
водоросли.
Экологический эффект от использования биогаза
осуществляется санитарная обработка сточных вод (особенно животноводческих и коммунально-бытовых), содержание органических веществ снижается до 10 раз;
анаэробная переработка отходов животноводства, растениеводства и активного ила позволяет получать уже готовые к использованию минеральные удобрения с высоким содержанием азотной и фосфорной составляющей (в отличие от традиционных способов приготовления органических удобрений методами компостирования, при которых теряется до 30-40% азота);
при метановом брожении высокий (80-90%) КПД превращения энергии органических веществ в биогаз;
биогаз с высокой эффективностью может быть использован для получения тепловой и электрической энергии, а также в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания;
биогазовые установки могут быть размещены в любом регионе страны и не требуют строительства дорогостоящих газопроводов и сложной инфраструктуры;
биогазовые установки могут частично или полностью заменить устаревшие региональные котельные и обеспечить электроэнергией и теплом близлежащие деревни, поселки, небольшие города.
Практическое применение биогаза возможно во всех сферах, где используется обычный природный газ. После обогащения (очистки) биогаза до состояния биометана (полный аналог природного газа с концентрацией метана до 99%) газ может использоваться как моторное топливо, подаваться в общую систему газоснабжения в трубопроводы среднего или низкого давления, использоваться на технологические нужды в качестве полной замены природного газа.
Большое количество биогазового топлива производится при переработке ТБО городов: в США - эквивалентно 2 200 000 Гкал, Германии - 3 300 000 Гкал, Японии - 1 400 000 Гкал, Швеции - 1 200 000 Гкал. В Китае около 10 млн "семейных" биогазовых реакторов ежегодно производят более 8 млрд м3 биогаза. Кроме этих установок в Китае работают 600 больших и средних биогазовых станций, которые используют органические отходы животноводства и птицеводства, винных заводов (общий ежегодный объем производства биогаза составляет 220 тыс. м3), 24 тыс. биогазовых очистительных реакторов для обработки отходов городов, а также около 190 биогазовых электростанций с ежегодным производством 3 млн кВт-ч. Биогазовая продукция в Китае оценивается в 7 900 000 Гкал/год.
Биоводород - газообразный вид биотоплива, получаемый совместно с биобутанолом путем бутилового или ацетонобутилового брожения сельскохозяйственных растений.
Реакция разложения водорода - Н2 + 0,5О2 = Н2О - сопровождается выделением большого количества энергии (285,8 кДж/моль). При этом не происходит никакого загрязнения атмосферы, так как в результате реакции образуются только пары воды. В результате химических процессов образуется водород и карбонат кальция, который, в свою очередь, можно использовать в сельском хозяйстве для раскисления почвы.
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 СО2, 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. Водород из биомассы получается термохимическими или биохимическим способом.
Термохимический способ. При термохимическом способе 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, CO и CH4. Себестоимость процесса $5-7 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до $1,0-3,0.
Биохимический способ. В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes, Enterobacter cloacae. Возможно применение различных энзимов для ускорения производства водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), содержащихся в биомассе. Процесс проходит при температуре 30°C и нормальном давлении. Себестоимость водорода около $2 за кг.
В настоящее время разрабатывается научно-исследовательская часть проекта получения биоводорода микробиологическим путем с использованием принципов, аналогичных тем, которые используются для получения биогаза.
Методом бутилового брожения сахарозы или крахмала с 1 тонны мелассы можно получить до 140 м3 водорода, 1 т стеблей сладкого сорго - 50 м3, 1 т картофеля - 42 м3. При ацетонбутиловом брожении с 1 т картофеля получают 25 м3 водорода, тогда как 1 т стеблей сладкого сорго дает 30 м3. Биоводород можно получать термомеханическим способом из отходов древесины, однако себестоимость данного метода пока слишком высока.
Применение водорода на транспорте и в энергетике в настоящее время ограничено отсутствием развитой инфраструктуры, ограничиваясь созданием концептуальных моделей водородных автомобилей и техники, работающей на топливных водородных элементах. Усложняют возможность использования водорода в качестве топлива и проблемы безопасности: водород может создавать с воздухом взрывоопасную смесь - гремучий газ; сжиженный водород обладает исключительными проникающими свойствами, требуя применения особых материалов. Однако, по экологическим параметрам безопасности, водороду нет равных.
Синтез-газ (сигаз) - смесь газов, главными компонентами которой являются СО и Н2; используется для синтеза разных химических соединений.
В настоящее время синтез - газ производят конверсией природного газа либо нефтепродуктов (от легкого бензина - нафты до нефтяных остатков) и лишь в небольших масштабах химической переработкой древесины, а также газификацией углей. В зависимости от применяемого сырья и вида конверсии (водяным паром или нестехиометрическим количеством О2) соотношение компонентов в газовой смеси изменяется в широких пределах.
Синтез - газ получают также наряду с целевым продуктом ацетиленом при окислительном пиролизе природного газа. Основные направления переработки синтез - газа: производство Н2 и метанола; небольшие количества используют в оксосинтезе и синтезе Фишера-Тропша [1].
2.1.3 Твердое биотопливо
Самый распространенный представитель вида - дрова. В настоящее время для производства дров или биомассы используются энергетические леса - это быстрорастущие породы древесины, кустарников и трав (ива, тополь, эвкалипт, акация, сахарный тростник, кукуруза и др.). Посадку производят квадратно-гнездовым способом или в шахматном порядке. В междурядьях из деревьев часто высаживают сельскохозяйственные культуры (так называемые, комбинированные посадки). Период ротации энергетического леса (от срезания до срезания) составляет 4-6 лет.
Экологические достоинства энергетической биомассы:
предупреждение эрозии почвы;
при сжигании биомассы, в атмосферу выделяется только CO2, поглощенный при ее росте.
Топливные брикеты - высушенные и брикетированные энергоносители биологического происхождения, например, навоз и биологические отходы с минимальной степенью подготовки к сжиганию (опилки, щепа, кора, лузга, солома, шелуха и т.д.).
Древесные топливные гранулы (ДГТ, пеллеты) - топливный продукт, полученный прессованием древесных отходов (опилок, щепы, коры, некондиционной древесины и др.), соломы, отходов сельского хозяйства (навоза, куриного помета, лузги подсолнечника, ореховой скорлупы,) и другой биомассы. ДГТ экологически чистое биотопливо, зольность которого не превышает 3 % [1].
2.2 Классификация видов биотоплива по поколениям
Биотоплива, как правило, делятся на первичное и вторичное. Первичные биотоплива используются в необработанном виде, в первую очередь для отопления, приготовления пищи и электричества, в основном, это топливная древесина. Вторичные биотоплива, такие как биоэтанол и биодизель производится путем переработки биомассы и могут быть использованы на транспортных средствах, а также в различных промышленных процессах. Вторичные биотоплива можно разделить на три поколения: первое, второе и третье поколение биотоплива на основе различных параметров, таких как тип технологии обработки, тип исходного сырья или по их уровню развития [1].
2.2.1 Биотопливо первого поколения
Производитсяизлюбого сельскохозяйственного сырья сахара, крахмала, растительного масла и животного жира посредством применения надлежащих технологий (близкие к естественным биологические и термохимические процессы, такие как брожение). К этому виду топлива относятся биоэтанол и биодизель. Условная эффективность производства энергии из биомассы биотоплива первого поколения составляет примерно 50%.
Основными источниками сырья являются семена или зерна. Например, семена подсолнуха прессуют для получения растительного масла, которое затем может быть использовано в биодизеле. Из пшеницы получают крахмал, после его сбраживания - биоэтанол. Однако такие источники сырья занимают место в пищевой цепочке людей и животных. А т.к. население земли растет и требует все больше пищи, то использование их для производства биотоплива уменьшит количество доступных продуктов питания и увеличит их стоимость, что недопустимо на фоне сегодняшнего голода во многих странах мира.
Также многие виды биотоплива первого поколения зависят от субсидий и не могут соперничать по цене с существующими ископаемыми видами топлива (например, нефтью). Некоторые из них предоставляют лишь небольшое сокращение выбросов парниковых газов. Если принимать во внимание выбросы от производства и транспортировки, оценка жизненного цикла биотоплив часто превосходит таковую у традиционных ископаемых видов топлива.
Основной недостаток производства биотоплива первого поколения - необходимость использования качественных пахотных земель, разнообразной тяжелой сельскохозяйственной техники, а также удобрений и пестицидов [1].
2.2.2 Биотопливо второго поколения
Топливо, полученное разными методами пиролиза биомассы, или другие топлива, отличные от биометанола, биоэтанола, биодизеля. Производятся из не пищевого сырья (отработанные жиры и растительные масла, биомасса деревьев и растений). Быстрый пиролиз позволяет превратить биомассу в жидкость, которую легче и дешевле транспортировать, хранить и использовать. Из жидкости можно сделать автомобильное топливо или топливо для электростанций. Условная эффективность производства энергии из биомассы биотоплива второго поколения составляет примерно 50%.
Технологически производство биотоплива второго поколения представляет собой процесс получения топлива посредством переработки целлюлозы и лигнина, содержащихся в древесной или волокнистой биомассе.
Сорта биотоплива, производящиеся в наши дни, считают относящимися к первому поколению. Сейчас они производятся из ферментированного растительного сырья (биоэтанол) и разнообразных растительных масел (биодизельное топливо). Топливо второго поколения будет производиться по технологии сжижения газов (gas-to-liquids, GTL) Фишера-Тропша (Fischer-Tropsch).
Технология включает в себя несколько стадий. Первая из них заключается в специальной обработке биомассы и получении из неё газообразных продуктов. Далее эти газы проходят очистку, перерабатываются в однородную смесь моноксида углерода и водорода, которая, в свою очередь, перерабатывается в жидкое топливо. Этот процесс был разработан в двадцатых годах прошлого века - однако вполне пригоден для изготовления поддающегося стандартизации химически однородного топлива. Таким образом, продукты обработки растительного сырья разлагаются до простых компонентов, которые затем можно синтезировать в высококачественное, лишенное примесей топливо.
Сырьём для подобного производства может быть любая биомасса, включая отходы деревообрабатывающего производства и остатки пищи. Данный процесс пока что используется очень небольшим числом компаний, и пройдёт ещё немало времени, не менее десяти лет, пока топливо начнёт производиться в промышленных масштабах. Только после этого может раскрыться истинный потенциал биотоплива, без побочных эффектов в виде нанесения им вреда двигателям.
Растения - источники сырья второго поколения:
водоросли - простые живые организмы, приспособленные к росту и размножению в загрязнённой или солёной воде (содержат до двухсот раз больше масла, чем источники первого поколения, таких как соевые бобы);
рыжик (растение) - растущий в ротации с пшеницей и другими зерновыми культурами;
Jatropha curcas или Ятрофа - растущее в засушливых почвах, с содержанием масла от 27 до 40 % в зависимости от вида.
Преимущество биотоплива второго поколения - сырье, необходимое для производства (растения) может выращиваться на менее благоустроенных землях, для их производства требуется минимум техники, удобрений и пестицидов.
Главный недостаток производства биотоплива второго поколения - состав сырья и затраты. Лигноцеллюлоза - сложный полимерный углевод, требующий большего числа химических превращений и, соответственно, энергии для получения из него жидких топлив.
Из лигноцеллюлозы растений получают биоэтанол. Производство биотоплива второго поколения, в настоящий момент, является очень капиталоемким процессом, т.к. пока соответствующие технологии весьма дороги [1].
2.2.3 Биотопливо третьего поколения
Биотопливо третьего поколения - топливо, полученное из водорослей.
Перспективность этого направления развития биотопливной отрасли связана со спецификой состава водорослей. По характеристикам, которые могут заинтересовать специалистов биотопливной отрасли, они значительно превосходят растения, средой обитания для которых является суша, в штамме водорослей содержание жиров составляет от 75 до 85% сухого веса.
Водоросли рассматривают как наиболее перспективное сырьё для производства топлива из возобновляемых источников. Это связано, прежде всего, с быстрым размножением водорослей, дающим высокий прирост биомассы. С одной технологической площадки для культивирования биотопливных водорослей можно собирать до 40 урожаев в год, а около 80% органического вещества, создающегося ежедневно на Земле, приходится именно на водоросли.
Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи электростанций. При размещении технологических площадок ниже сброса тепла ТЭЦ покрывается до 77% потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей.
Большинство биотоплива третьего поколения планируется получать путем преобразования органического вещества в топливо, однако существует альтернативный подход, основанный на том, что некоторые водоросли от природы вырабатывают этанол, который можно собирать без уничтожения самого растения. Совместными усилиями двух компаний, Dow Chemical и Algenol Biofuels, был построен опытный биозавод, на котором под воздействием солнечного света идет преобразованиеуглекислогогаза,
содержащегося в атмосфере, в этиловый спирт, который можно использовать как биотопливо или как сырье для получения пластиков. Это превращение происходит в биореакторах, заполненных одним из видов морских водорослей.
Первый, экспериментальный, биозавод построен во Флориде и содержит всего 40 биореакторов. Компании планируют построить большой завод в штате Техас, который будет состоять 3100 биореакторов, занимая площадь 24 акра (97 125 кв. м). Эффективность такой технологии подтверждается тем фактом, что каждый биореактор может за год произвести более 1000 галлонов (3785 литров) этилового спирта, при этом цена этого биотоплива остается чрезвычайно низкой - менее одного доллара за галлон (4,5 литров).
В настоящее время разработки способов выращивания микроводорослей и конструирование различных типов аппаратов для этого ведут многие корпорации, начиная от мировых гигантов в энергетической области, таких как Chevron, Shell, и заканчивая корпорациями De Beers, Nestle, для которых энергетический бизнес не является профильным, а также потребители топлива - компании Boing, Chysler, NextDiesel и т.д. Работы направлены на снижение себестоимости получаемой биомассы микроводорослей путем использования для выращивания открытых естественных водоемов, водоемов очистных сооружений, попутных газов электростанций, применения комбинированных способов использования открытых и закрытых систем для выращивания.
По оценкам, которые приводят аналитики агентства "Cleandex", 200 тысяч га прудов могут производить топливо, достаточное для годового потребления 5% автомобилей США.
При этом 200 тысяч га - это немного, для США это всего 0,02% земельного фонда, а для России - чуть более 0,01%.
По данным экспериментов установлено, что с 1 акра (4 047 кв. м) водорослей можно произвести в 30 раз больше энергии, чем с акра наземных растений, таких как соя.
По расчётам специалистов Boeing, если бы весь флот всех авиалиний мира использовал только биотопливо, полученное из морских водорослей, понадобилась бы 322 млрд. литров масла. С 1 га можно получать 6 500 литров в год. Можно рассчитать, что для выращивания этих водорослей потребуется площадь 50 млн га - также небольшая в масштабах Земли.
На фоне растущих цен на минеральное топливо, инвесторы проявляют все больше интереса к разведению водорослей. Тем не менее, водорослевое топливо имеет и свои трудности при производстве: для выращивания водорослей необходима большая площадь. Министерство энергетики США полагает, что если заменить все нефтяное топливо в США на водорослевое, то на водорослевые фермы потребуется около 15000 кв. миль (38,849 кв. километров), что примерно соответствует площади штата Мэриленд или около 1/7 площади, отведенной под зерновые культуры. Также, водоросли любят высокую температуру, для их производства хорошо подходит пустынный климат, но требуется некая температурная регуляция при ночных перепадах температур.
При этом, само выращивание водорослей должно иметь положительный экологический эффект - они, как и другие растения, в процессе фотосинтеза поглощают углерод, очищая воздух и снижая парниковый эффект.
В России также ведутся разработки биотоплива третьего поколения.
В 2008-2010 гг. в МГУП "Мосводоканал" были проведены работы по получению биомассы водорослей на биологически очищенной воде и переработке ее в биотопливо. Проработаны основные технологические этапы, выведен устойчивый биоценоз водорослей, дающий оптимальный прирост на очищенной воде, разработаны технические решения по созданию фотобиореактора.
Как сообщают "Вести-24", Специалисты из Новосибирского государственного университета, работающие совместно с Институтом катализа СО РАН, разрабатывают катализаторы и реакторы для производства биотоплива третьего поколения из микроводорослей. Биологи и химики из Новосибирска ищут интенсивный путь, через совершенствование процесса катализа и других технологий экстракции топливного сырья из водорослей [1].
3. Отрицательное воздействие биотоплива
Использование биотоплива, например этанола (этилового спирта) или дизельного топлива (биодизеля), полученного из специально выращенных растений, обычно рассматривают как важный шаг к сокращению выбросов углекислого газа (СО2) в атмосферу. Конечно, при сжигании биотоплива углекислый газ попадает в атмосферу совершенно так же, как и при сжигании ископаемого топлива (нефти, угля, газа). Разница в том, что образование растительной массы, из которой было получено биотопливо, шло за счет фотосинтеза, то есть процесса, связанного с потреблением СО2 [7].
Соответственно, использование биотоплива рассматривается как "углерод-нейтральная технология": сначала атмосферный углерод (в виде СО2) связывается растениями, а потом выделяется при сжигании веществ, полученных из этих растений. Однако стремительно расширяющееся производство биотоплива во многих местах (прежде всего в тропиках) ведет к уничтожению природных экосистем и утере биологического разнообразия.
При всех плюсах использования биотоплива быстрое увеличение его производства чревато серьезными опасностями для сохранения дикой природы, особенно в тропиках.
Использование кукурузы как сырья для получения этанола, само по себе требует большого количества воды, удобрений и пестицидов. В результате, если учесть все затраты на выращивание кукурузы и производства из нее этанола (они ведь тоже связаны с потреблением энергии, со сжиганием топлива), то окажется, что в сумме количество СО2, выделяющегося при изготовлении и использования такого биотоплива, почти такое же, как при использовании традиционного ископаемого топлива! Для этанола из кукурузы коэффициент, оценивающий выделение парниковых газов на определенный энергетический выход (в кг СО2 на мегаджоуль, 106 джоулей, полученной энергии), равен 81-85. Для сравнения, соответствующий показатель для бензина (из ископаемого топлива) составляет 94, а для обычного дизельного топлива - 83. При использовании сахарного тростника результат уже существенно лучше - 4-12 кг СО2/МДж [8].
Но настоящий положительный скачок наблюдается при переходе к использованию многолетних трав, например одного из видов дикого проса - так называемого проса прутьевидного (Panicum virgatum), обычного растения высокотравных прерий Северной Америки. Благодаря тому, что значительная часть связанного углерода запасается многолетними травами в их подземных органах, а также накапливается в органическом веществе почвы, территории, занятые этими высокими (порой выше человеческого роста) травами, функционируют как места связывания ("стока") атмосферного СО2. Показатель эмиссии парниковых газов при получении биотоплива из проса характеризуется отрицательной величиной: - 24 кг СО2/МДж (то есть СО2 становится меньше в атмосфере) [7].
Подобные документы
Органическое и ядерное топливо, виды, классификация по агрегатному состоянию. Состав газообразного топлива. Добыча органического топлива, проблемы правового и экологического характера. Современная ситуация на мировом газовом рынке, роль сланцевого газа.
реферат [20,3 K], добавлен 27.01.2012Биогаз, сырье для получения биотоплива. Достоинства получения топлива из органических отходов. Комплексное использование биогазовой установки. Способ сбраживания биомассы в промышленных реакторах. Схема бокса для ферментации. Торговая марка Zorg Biogas.
презентация [1,2 M], добавлен 15.12.2015История создания автомобильных двигателей, работающих на этиловом спирте. Особенности производства биогаза из листьев, навоза и пищевых отходов. Выращивание водорослей в США для получения биотоплива. Изготовление этанола из древесных опилок в России.
презентация [601,4 K], добавлен 12.02.2014История человечества тесно связана с получением и использованием энергии. Практическая ценность топлива - количество теплоты, выделяющееся при его полном сгорании. Проблема энергетики - изыскания новых источников энергии. Перспективные виды топлива.
реферат [11,6 K], добавлен 04.01.2009Основные источники топлива и современные проблемы энергетики. Способы использования биомассы. Оборудование для производства биогаза. Биоконверсия растительного сырья. Методы газификации и типы газификаторов. Производственные схемы получения биогаза.
реферат [692,6 K], добавлен 25.04.2012Преимущества альтернативного топлива: уменьшение выбросов; повышение энергетической независимости и безопасности государства; производство топлива из неисчерпаемых запасов. Виды альтернативного топлива: газ, электричество, водород, пропан, биодизель.
презентация [463,7 K], добавлен 09.11.2012Методика расчета горения топлива на воздухе: определение количества кислорода воздуха, продуктов сгорания, теплотворной способности топлива, калориметрической и действительной температуры горения. Горение топлива на воздухе обогащённым кислородом.
курсовая работа [121,7 K], добавлен 08.12.2011Использование на производстве синтетического и дизельного топлива, эталона и бутилового спирта. Особенности применения на автотранспорте биодизеля, диметилового эфира. Альтернативные виды топлива. Изучение положительных и отрицательных свойств метанола.
презентация [775,1 K], добавлен 16.12.2014Обзор и анализ способов утилизации горючих отходов переработки отработавшего ядерного топлива. Исследование и оптимизация процесса плазменного горения модельных горючих водно-органических композиций. Оценка энергозатрат на процесс плазменной утилизации.
дипломная работа [2,3 M], добавлен 10.01.2015Виды классических источников энергии. Современные проблемы развития энергетики роль и значение биотоплива в альтернативной биоэнергетике. Твердое, жидкое и газообразное биотопливо. Пеллеты. Расчет экономической эффективности биотопливного производства.
реферат [38,0 K], добавлен 17.06.2016
