Биотопливо как альтернативный источник энергии

Факты и события

В настоящий момент, в мире, охваченном дефицитом энергоресурсов, все чаще можно услышать о необходимости применения биотоплива – как альтернативного источника энергии.

Биотопливо представляет собой вид топлива из растительного или животного сырья – из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов.

Биотопливо бывает разным по агрегатному состоянию. Например, жидкое биотопливо – в основном используют для двигателей внутреннего сгорания – к нему можно отнести: биодизель, этанол, метанол; твердое биотопливо – к нему можно отнести солому, дрова, брикеты; газообразное биотопливо – водород, биогаз и синтез-газ.
Многие эксперты считают, что Биотопливо не настолько безвредно для окружающей природной среды по сравнению с обычным топливом, как это принято считать во всем мире.

В процессе сгорания и тех и других топлив образуются в основном углекислый газ, вода и примесей, которые являются вредными, к последним относятся оксиды азота, моноксид углерода и углеводороды и прочие.

Особое внимание экологи уделяют основному вредному загрязнителю, который вызывает парниковый эффект – углекислому газу.

Основное преимущество Биотоплива по сравнению с обычным топливом является то, что использование его снижает выбросы парниковых газов, способствуя улучшению экологической ситуации в мире.

Сравнивая компонентный состав выбросов при использовании двух видов топлив нефтяного и биотоплива можно отметить выигрышные позиции последнего. Исследования показывают, что использование биотоплива способствует снижению выбросов моноксида углерода и углеводородов. Также, в биотопливе отсутствует сера, что добавляет преимущество данному виду топлива. Но не все так хорошо – дело в том, что использование биотоплива незначительно увеличивает выброс таких вредных компонентов, как оксид азота, а также при неполном сгорании многих биотоплив в атмосферу попадают альдегиды.

Но все же, хотелось бы отметить, что по компонентному составу вредных выбросов биотопливо выглядит экологичнее, по сравнению с нефтяным.

© 2012-2024 Индивидуальный предприниматель Андреева Елена Владимировна

Экологические проекты и разработки

Адрес: г. Москва, улица Покровка, дом 14/2, строение 1

Биотопливо

Биотопливо аналитические решения FOSS

Компания FOSS предлагает решения для анализов качества биотоплива на протяжении всей цепочки производства: от фермеров, выращивающих сырье, и зерновых элеваторов до маслоэкстракционных заводов и производителей топлива. Решения FOSS помогают повысить производство продукции, увеличить продуктивность и прибыльность. FOSS предлагает специализированные решения для анализа биотоплива на производстве биотоплива. Аналитические решения FOSS помогают увеличить прибыль от выпускаемой продукции.

Биотопливо, в отличие от традиционных нефти или газа, производится из возобновляемого биологического материала, например растений, навоза или отходов, поэтому оно является долгосрочным, относительно дешевым и надежным источником энергии.

Основная практическая польза использования альтернативного биологического топлива это то, что в рамках определенных ограничений по объему, они могут быть объединены с традиционным «ископаемым» топливом и использованы в существующих энергетических системах, таких, как двигатели легковых машин и грузовиков. В использовании биотоплива вместо ископаемого топлива существуют два основных природных сберегательных фактора. Во-первых, биотопливо — возобновляемый ресурс, поэтому оно является долгосрочным, относительно дешевым и надежным источником энергии. Во-вторых, биотопливо в своем производственном цикле и использовании выделяет гораздо меньше парниковых газов.
Так называемое «второе поколение биотоплива», синтетическое топливо, хотя и получается из биомассы, имитирует химические характеристики ископаемого топлива. Это позволяет более глубоко интегрировать его в существующие топливные системы. Оно также может производится с большей долей «деревянной» биомассы, например из соломы, а не самой кукурузы.

Эффективность биотоплива

Становится ясно, что источник биотоплива кардинально влияет на то, насколько оно целесообразно. Лучшие виды биотоплива могут выделять в 10 раз больше энергии, чем энергия, которая была задействована в их производстве, и при использовании выделяют лишь четверть того количества парниковых газов, которые бы выделились при использовании его ископаемого эквивалента. Этанол, получаемый из сахарного тростника в Бразилии часто приводится как пример «хорошего» биотоплива.
Становится ясно, что источник биотоплива кардинально влияет на то, насколько оно целесообразно. Лучшие виды биотоплива могут выделять в 10 раз больше энергии, чем энергия, которая была задействована в их производстве, и при использовании выделяют лишь четверть того количества парниковых газов, которые бы выделились при использовании его ископаемого эквивалента. Этанол, получаемый из сахарного тростника в Бразилии часто приводится как пример «хорошего» биотоплива.
В отличие от хорошего, худшие образцы биотоплива требует гораздо больше затрат энергии при производстве, и выделяют много парниковых газов. Увеличение выбросов парниковых газов может быть и не напрямую связано с самим топливом — например, увеличение выброса происходит за счет газов, выделившихся во время лесных пожаров, организованных для расчистки сельскохозяйственных площадей. Биодизель из пальмового масла, производящийся в Индонезии, часто приводится как пример «плохого» биотоплива.

Тенденции производства биотоплива в мире

Более 80% потребляемой в мире энергии производится из традиционных источников (нефть, газ, уголь). В 2013 году доля возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в мировом потреблении первичных источников энергии составила около 19%. С точки зрения динамики и объемов потребления основными сегментами мирового рынка альтернативной энергетики являются биотопливо, солнечная и ветряная энергетика.

В большинстве экономически развитых стран доля биомассы в общем производстве первичной энергии, как правило, не превышает 3%. Сегодня большая часть потребления биомассы приходится на развивающиеся страны (до 20% топливно-энергетического баланса страны), в которых она используется в основном домохозяйствами при сжигании дров в печах для обогрева жилища и приготовления пищи.

Широко развивается использование биомассы для получения тепловой энергии, как в частном секторе, так и в системе централизованного теплоснабжения. Активно развивается данное направление использования биомассы в Европе, в частности, в Швеции, Финляндии, Дании, Австрии, Германии и Нидерландах. Например, в Швеции биомасса является основным сырьем, используемым в теплоснабжении, а также применяется для производства топлива для транспорта.

В Швеции и Дании биомасса успешно имспользуются для производства топлива для транспорта

Во многих странах, как развитых, так и развивающихся, включая Китай и Индию, возрастает использование биомассы для производства электроэнергии. По состоянию наконец 2014 года в мире насчитывалось около 54 ГВт установленных мощностей, работающих на биомассе.

Биомасса может выступать источником электроэнергии — около 90% производственных мощностей биотоплива приходится на США, Бразилию и ЕС. Прогнозные оценки развития рынка свидетельствуют об однозначном росте биотопливного сегмента при условии сохранения приоритета традиционных источников энергии. К 2030 г. в зависимости от региона биотопливо может занять от 10 до 30% совокупного потребления энергии.

Биотопливо как альтернативный источник энергии Текст научной статьи по специальности «Промышленные биотехнологии»

Аннотация научной статьи по промышленным биотехнологиям, автор научной работы — Панченко А. В.

В мире и в России все чаще и острее возникает вопрос нехватки энергоресурсов. Борьба за них становится одним из самых существенных факторов, влияющих на направления развития мировых отношений и развитие глобальной политики. Следовательно, значимость информации о разведанных ресурсах традиционных источников энергии возрастает как с экономической, так и со стратегической точки зрения. В сложившихся обстоятельствах на первое место выходит способ получения энергии с помощью нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Некоторые виды топлива, ныне относящиеся к нетрадиционным источникам энергии, известны достаточно давно, но в силу различных причин не используются. В связи с бурным развитием технологий одним из существенных преимуществ таких нетрадиционных источников энергии является тенденция снижения их цены, а недавнее повышение мировых цен на нефть и природный газ привело к очередному всплеску интереса к развитию технологий с применением, в частности, биологического топлива. Далее автор подробно пишет об альтернативном источнике энергии.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по промышленным биотехнологиям , автор научной работы — Панченко А. В.

Анализ способов получения энергии из растительной биомассы

Успехи и проблемы производства альтернативных источников топлива и химического сырья. Пиролиз биомассы

Химические технологии биоэнергетики
Производство твердого биотоплива в России: экономика развития и инвестиции в будущее

Биоэнергетические технологии — важнейшая составляющая эколого-ориентированного экономического развития

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Biofuel as an energy alternative source

In the world and in Russia even more often and more sharply there is a question of shortage of power resources. Struggle for them becomes one of the most essential factors influencing directions of development of world relations and development of the global policy. Hence, the importance of the information on the reconnoitered resources of traditional energy sources increases both with economic, and from the strategic point of view. In the circumstances on the first place there is a method of reception of energy by means of nonconventional and renewed energy sources. Some kinds of fuel nowadays concerning nonconventional energy sources, are known for a long time, but owing to the various reasons are not used. In connection with rapid development of technologies by one of essential advantages of such nonconventional energy sources the tendency of decrease in their price is, and recent increase of the world prices for petroleum and natural gas has led to the next splash in interest to development of technologies with application, in particular, biological fuel. Further the author in detail writes about an energy alternative source.

Текст научной работы на тему «Биотопливо как альтернативный источник энергии»

Биотопливо как альтернативный источник энергии

В мире и в России все чаще и острее возникает вопрос нехватки энергоресурсов. Борьба за них становится одним из самых существенных факторов, влияющих на направления развития мировых отношений и развитие глобальной политики. Следовательно, значимость информации о разведанных ресурсах традиционных источников энергии возрастает как с экономической, так и со стратегической точки зрения.

К таким источникам энергоресурсов относятся: нефть, газ, уголь, а также те природные вещества, которые могут быть использованы как источники для ядерных реакторов. Однако при эксплуатации ядерных реакторов серьезно встает вопрос безопасности и утилизации отработанного топлива. У экологов серьезные опасения за состояние нашей планеты вызывает повсеместное использование традиционных видов топлива. Эти проблемы на данный момент решены лишь частично, а следовательно, существу-

ет риск того, что следующие поколения столкнутся со сложнейшими задачами по восстановлению нормальной экологической обстановки на Земле. Так, например, экологическая обстановка в энергосети РАО «ЕЭС России» осложняется тем, что на внутренний рынок России не поставляется необходимое количество природного газа и его вынуждено заменяют гораздо более экологически вредным мазутом. Кроме того, ограниченность запасов традиционных видов топлива и повышение спроса обуславливают постоянное повышение их цены на мировом рынке (приблизительный прогноз потребления тепловой энергии представлен на рис. 1).

В связи с этим появляется множество новых направлений использования как традиционных, так и нетрадиционных источников энергии. В высокоразвитых странах пытаются найти решение по использованию водорода в качестве топлива, что предста-

Рис. 1. Прогноз использования первичных источников энергии для получения тепловой энергии

вляется достаточно перспективным, так как энергоемкость водорода значительно превосходит многие виды других химических соединений. Однако водород пока является слишком дорогостоящим топливом.

Другим интересным вариантом является добыча на Луне гелия-3 с целью его использования в термоядерных реакторах второго поколения. При этом возникает следующая проблема: как построить реактор второго поколения, который был бы абсолютно безопасен с радиационной точки зрения. Будет технически сложно построить лунную базу по добыче полезных ископаемых и организовать регулярную доставку на Землю. В общем случае этот способ добычи энергии пока не перешел из разряда теоретически возможных в область практически выполнимых. Данный проект и многие другие аналогичные проекты являются далекой перспективой энергетики.

В сложившихся обстоятельствах на первое место выходит способ получения энергии с помощью нетрадиционных и возобновляемых источников энергии. Некоторые виды топлива, ныне относящиеся к нетрадиционным источникам энергии, известны достаточно давно, но в силу различных причин не используются. В связи с бурным развитием технологий одним из существенных преимуществ таких нетрадиционных источников энергии является тенденция снижения их цены, а недавнее повышение мировых цен на нефть и природный газ привело к очередному всплеску интереса к развитию технологий с применением, в частности, биологического топлива.

Биотопливо достаточно давно использовалось для обогрева человека и получения столь нужной ему энергии. В основе его лежит биомасса — продукт фотосинтеза

— самого мощного на планете преобразователя солнечной энергии и последующей многообразной пищевой цепочки, основной источник топлив и энергии, включая и ископаемые органические топлива как конечные продукты переработки древнейшей биомассы.

Биотопливом называют продукт переработки биомассы, применяемый человеком при получении энергии.

Возможно, первым видом биотоплива, примененным для обогрева человека, стал простой древесный ствол, брошенный в огонь. Позже простое древесное полено вытеснили газ, уголь, нефть и различные электрические обогреватели. Однако до сих пор во многих слаборазвитых странах древесина является основным источником тепла для населения. Сегодня в России древесина очень редко используется для получения энергии, а могла бы стать неплохим решением энергетической проблемы для населенных пунктов, удаленных от транспортных артерий.

Давно известен такой вид биотоплива как компост. К сожалению, не все задумываются о том, что в компостных контейнерах при переработке выделяется тепловая энергия, которую можно с успехом употреблять для технических нужд.

К биотопливу относят и различные виды спиртов, торф и т. д.

В общем виде всё биотопливо можно классифицировать следующим образом:

1. Первичное древесное топливо (дрова, лесосечные отходы, щепа, энергетический лес и т.д.).

2. Вторичное древесное топливо (кора, опилки, стружка, гранулы, пеллеты, брикеты, древесный уголь).

3. Утилизированное древесное топливо (отработанные щелока целлюлозного производства, бумажное и картонное вторсырье).

5.Утилизационное топливо из промышленных и бытовых отходов (биогаз из различной биомассы, и в том числе от анаэробной очистки бытовых и промышленных стоков).

6. Жидкие виды биотоплива (биоэтанол, дизельное растительное топливо и т.д.).

7. Недревесные биомассы (солома, отходы растениеводства и т. д.).

Что касается биомассы, то известны различные способы её преобразования в энергию:

• получение растительных углеводородов (предельные и непредельные углеводороды, растительные масла, высокомолекулярные жирные кислоты);

• прямое сжигание биомассы, газификация, пиролиз, фест-пиролиз, сжижение;

• биотехнологическая конверсия биомассы в топливо (при влажности более 75%): низкоатомные спирты, жирные кислоты, биогаз.

В последние десятилетия появились и сравнительно новые виды биотоплива:

• получаемый из твердых бытовых отходов (ТБО) биогаз;

• продукты жизнедеятельности микроорганизмов.

История их применения не насчитывает и 50 лет.

Впервые пеллеты как твёрдые древесные гранулы были созданы в Германии. Они представляют собой небольшие цилиндры-карандашики, спрессованные из мелких стружек и опилок хвойных пород дерева. В первую очередь пеллеты были разработаны для отопления коттеджей. Но со временем котлы для гранулированного топлива стали выпускать и для небольших котельных, способных отопить, например, одно многоэтажное здание или несколько домов соцкультбыта.

В последнее время новый вид биотоплива в Европе стал очень популярен. Дело в том, что эти гранулы называют «улучшенным» топливом, так как теплотворная способность одной тонны пеллет сопоставима с теплотворностью тонны угля, а 2 тонны гранул соответствуют одной тонне нефти или кубометру газа. Еще одним несомненным плюсом пеллет является то, что они не самовозгораются, так как в их структуре мало межпоровое пространство (например, в угле больше). Теплотворная способность пел-лет меньше, чем каменного угля, нефти, природного газа (рис. 2). Однако их сжигание не оказывает такого негативного влияния на окружающую среду, как сжигание традиционных топлив.

В большинстве стран Европы пеллеты делятся на 2 класса:

• класс А (для коттеджного отопления) влажность до 8% , d ~ от 4 до 6 мм. L ~ от 10 до 12 мм;

• класс Б (промышленное отопление) влажность до 15 % , d ~ от 10 до 12 мм; L ~ около 15 мм.

Рис. 2. Теплотворные способности различных топлив

Приблизительный состав операций и оборудования для производства пеллет (основные элементы) обширен и включает в себя:

1. Участок приемки.

2. Участок подготовки сырья (дробилки).

3. Участок сушки. (Естественная влажность поступающего дерева до 70%, а после данной операции она снижается в несколько раз).

4. Повторный измельчитель (необязательная операция).

5. Пресс. В основном с круглыми цилиндрическими матрицами (растет давление и, следовательно, растет температура).

6. Участок охлаждения.

В западных странах широкое развитие получило выращивание специальных пород леса с одной лишь целью — дальнейшей энергетической переработки. Данный лес называется энергетическим лесом. Для выращивания выбираются наиболее быстрорастущие сорта деревьев (в России ими может стать клен, осина и другие). Срок роста такого леса до эффективного промышленного использования составляет от 4 до 7 лет.

В России запасы сырья для производства биотоплива огромны и исчисляются миллиардами кубометров. Сейчас на каждом гектаре рубки остается 4060 куб.м отходов лесопиления. Из-за низкого внутреннего спроса, составившего в 2004 году 15-25 тысяч тонн, производство пеллет было ориентировано на экспорт в Западную Европу. Однако в течение последних двух лет в России отмечается рост запросов на строительство заводов по изготовлению древесных гранул, что говорит о формировании внутреннего рынка.

При этом общий объем производства пеллет в России, по некоторым оценкам западных источников, составляет около 150 000 тонн в год, и все они исключительно промышленного назначения. Самый крупный завод в России и в мире по производству гранул из опилок построен в Ульяновске — его производительность составляет до 5000 кг/ч.

Перспективными источниками энергии могут стать различные спирты и биодизельное топливо.

Биодизельное топливо — это продукт этерифика-ции растительных масел.

Этерификация происходит от греч. а1Шег- эфир и слова «фикация», то есть получение сложных эфиров взаимодействием спиртов с кислотами. Например, в случае карбоновых кислот их уравнение имеет следующий вид:

Суть уравнения заключается в следующем: вода разлагает сложные эфиры с образованием исходных веществ; — R-органические радикалы, при этом реакция является обратимой.

Сырьем производства биодизельного топлива является растительное масло. В Европе, как правило, им является рапсовое масло. В России основными продуцентами растительных масел являются: подсолнечник, лен, горчица, небольшой объем занимают кукуруза, соя и рапс.

Состав биодизельного топлива может быть различным. Например, растительное масло этерифицирует-ся метанолом (1 т масла + 100 кг метанола + 100 кг глицерина), добавляется в количестве 5% к дизельному топливу.

Так же добавляться может и биодиметил эфир. Биодиметил эфир добавляется к дизельному топливу (2%) для улучшения его качеств. Может получаться из синтез-газа или чистого метанола в присутствии алюмосодержащих катализаторов.

Современные дизельные двигатели могут работать на 100% биодизельном топливе.

Этанол (один из известных видов спиртов) также может стать отличной альтернативой существующим видам топлива.

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 экологически чистые технологии эффективного разложения древесины на целлюлозу (полимер глюкозы) и лигнин. Сырьем, обеспечивающим производство этанола в России, могут быть: сахарная свекла (меласса

— отходы сахарного производства), картофель (картофельный крахмал), сладкое сорго.

Сахарная свекла (меласса). Объемы производства мелассы в 2004 году составили 1,1 млн. тонн. Из 100 кг мелассы можно получить 30 л этанола или из 1,1 млн. тонн — 330 000 куб. м стоимостью 99 млн. $ US. Сырьем для производства этанола может быть, также использован свекловичный жом.

Картофель. При урожае картофеля в России в 2004 году в объеме 36,6 млн. тонн потенциальный объем этанола может составить 2,2 млн. куб. м на сумму 660 млн. $ US. Из 1 тонны картофеля можно получать до 60 л этанола. Для того чтобы выйти на производство этанола в объемах современного его производства в США, в России нужно засевать картофелем до 15 млн. га.

Сладкое сорго. Культивируется на Северном Кавказе, Дальнем Востоке и в Поволжье. В России сорго возделывается на площади около 100 тыс. га. Урожай сладкого сорго — 20-30 т/га. Из 1 тонны массы сорго получают 800-850 л сока с содержанием 20% углеводов, или до 80 л этанола. При благоприятных условиях можно получать зеленой массы свыше 80 тонн с 1 га. Только для полного замещения бензина этанолом для АПК России необходимо засевать сладким сорго 1 млн. га (для автопарка всей России надо засевать 13-15 млн. га).

Таким образом, перспективы 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.

Одним из важнейших направлений развития нетрадиционных источников энергии является использование продуктов жизнедеятельности микроорганизмов.

В новейшем производственном комплексе продуктами, получаемыми в результате сложной технологической цепочки, являются: бионефть и биоэлектричество. Бионефть — это обычная по химическому составу нефть с той лишь разницей, что она не содержит серы и вредных веществ. Система производит экологически чистую электроэнергию из морских водорослей. Технология такова: в большие прозрачные резервуары заливается морская или пресная вода, туда же закладываются микроорганизмы, выращенные в лаборатории из стеблей морских водорослей естественного происхождения. Под воздействием солнечной энергии микроорганизмы в течение 48 часов произрастают. Затем 4/5 содержимого резервуара идет на переработку, оставшееся сырье вновь заливается водой, и процесс повторяется. Если в резервуар закладывается морская вода, то на выходе есть еще и пресная вода.

Затем из готового сырья путем сжигания производят либо бионефть и побочные продукты, либо электроэнергию. Коэффициент теплоотдачи использования такого топлива может быть в 1,5 раза больше, чем при сжигании угля. К тому же эта технология полностью исключает выбросы СО2 в атмосферу — по нашей технологии углекислый газ полностью идет на производство биомассы. Помимо этого замкнутый цикл производства предполагает, что зольность, образующаяся в качестве отходов, используется в качестве удобрения. Любые ошибки, допущенные в производстве биомассы, исправляются в пределах от 24 часов до 7 дней.

При работе биодизеля по данной технологии газ СО2 не выделяется наружу, а поглощается из окружающей среды и находится в замкнутом цикле.

Биокомплекс можно построить практически в любом регионе страны, где есть доступ к водоему. А для приморских районов установка может давать электроэнергию и пресную воду. К примеру: установка занимает территорию 1 га и способна вырабатывать электроэнергию для города с населением 10 тыс. человек, а также поставлять 9 млн. ккал горячей воды в час.

Для Евросоюза окупаемость проекта составит около 3,5 года. При том, что расчеты включали только продажу электроэнергии (99% всего объема продукции) без учёта возможных продаж побочных продуктов производства — кислорода, глицерина и др.

Предложенный вариант производства нетрадиционного вида энергии уже реализован на практике. Кроме того, есть и другие аналогичные проекты как за рубежом, так и у нас в России. У микроорганизмов можно улучшить их полезные качества за счет усилий биологов, постоянно работающих над этой проблемой.

Практически неисчерпаемым источником энергии сегодня могут стать свалки твёрдых бытовых отходов при условии организации на этих свалках безотходных производств.

Сегодня наряду с проблемой энергоснабжения для крупных городов не менее остро встает проблема утилизации твердых бытовых отходов. Число свалок вокруг городов растет с каждым годом. Это ухудшает экологическую обстановку как в непосредственной близости и на территории захоронения мусора, так и в районе в целом. Загрязняется атмосфера и подземные воды. С другой стороны, в последнее время зафиксирован огромный рост стоимости и ценности земли, повышается стоимость энергии. Решение перечисленных проблем заключается в том, чтобы создавать специальные полигоны ТБО, где отходы будут сортироваться, из них будет получаться как электроэнергия, так и сырье для повторного производства продукции.

От свалок ТБО можно получить различные энергетические ресурсы. В первую очередь это газ, пригодный для сжигания, так называемый лендфилл-газ, являющейся разновидностью биогаза. Биогаз -55-75% СН4, 25-45% СО2 — получается метановым брожением биомассы (80-90% влажности). Его теплотворная способность составляет от 5 000 до 7 000 ккал на кубический метр и зависит от концентрации мета-

на в его составе. Количество метана, в свою очередь, зависит от био-физико-химических особенностей сырья и в некоторых случаях от применяемой технологии.

Основной процесс газообразования на полигоне сводится к микробиологическому разложению органических компонентов, имеющему ярко выраженную зональность. В верхней зоне полигона (0-1,5 м) протекает аэробный процесс (с использованием кислорода), на более низких горизонтах располагается сфера анаэробного сбраживания (без использования кислорода). Между ними имеется пограничный слой, где имеют место оба процесса. В настоящее время эксплуатируются с использованием биогаза более 150 полигонов ТБО (80% из них находится в США, Великобритании, Германии). Для более эффективного сбора биогаза поверхность полигона должна быть хорошо уплотнена или укрыта. А отвод биогаза необходимо вести из зоны наиболее активного восстановления его компонентов, обычно лежащей на глубине 2-6 метров от поверхности.

Биогаз используют для удовлетворения потребностей в энергии ближайших к полигону населенных пунктов, а также для собственных нужд полигона.

В России на данный момент биоэнергетика развита слабо. Обладая колоссальными запасами энергетических ресурсов и огромным энергетическим потенциалом (табл. 1), мы, на данный момент не очень задумываемся над тем, что нас ожидает в недалеком будущем.

В отличие от стран Западной Европы и Америки у нас не ведется целенаправленных широкомасштабных исследований в этой области, практически не существует рынка соответствующих услуг, законодательной базы, стимулирующей развитие и производство российских биоэффективных технологий, ограничивающих вредные выбросы в окружающую среду. На данный момент отрасль остро нуждается в законе о нетрадиционных источниках энергии и в законодательных поправках, отменяющих государственное регулирование цен на спирты, применяемые в энергетике.

Таблица распределения биоэнергетического потенциала России

Регионы с малым значением технического потенциала биотоплива: менее 35 тыс. т.у.т. в год Регионы со средним значением технического потенциала биотоплива: от 35 тыс. до 6 млн. т.у.т. в год Регионы с большим значением технического потенциала биотоплива: более 6 млн. т.у.т. в год

Дальневосточный округ, Черноземье, Ростовская область, Республика Татарстан Северо-Западный округ, Сибирский округ (кроме Омской и Новосибирской областей) Приволжскский округ (за исключением Республики Татарстан), Уральский округ, Новосибирская область, Омская область, Московский регион, Южный округ (за исключением Ростовской области)

1. Гютт А. Мини-дрова на экспорт и не только// Биоэнергетика. 2007. № 1. — С.55-57.

2. Дьяков А. Ф. Малая энергетика России. Проблемы и перспективы. — М.: НТФ «Энергопресс», 2003. — 128 с. ил. [Библиотечка электротехника, приложение к журналу «Энергетик». Специальный выпуск 2-3 (50-51)].

3. Лотош В. Е. Переработка отходов природопользования. — Екатеринбург: Изд-во УРГУПС, 2002. — 463 с.

4. Лотош В. Е. Экология природопользования. — Екатеринбург: Полиграфист, 2001.-540 с.:илл.

5. Национальный энергетический союз — за единый стандарт на биотопливо// Энергетика и промышленность России. 2007. — № 5(81). — С. 37.

6. Панцхава Е.С. Биоэнергетика — самостоятельная часть современной энергетики//Биоэнергетика. 2007.

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

7. Салехов М. Микроорганизмы в производство энергии// Энергетика и промышленность России. 2007. -№ 5(81). — С.38.

8. Физическая энциклопедия/Под ред. А. М. Прохорова. Т.5. — М.:Большая Российская энциклопедия, 1998. — С. 81.

9. Чубайс А.Б. За чистый воздух нужно платить// Академия энергетики. 2007. — № 4 [18]. — С. 4-9.

Как устроено производство биотоплива, и какие проблемы оно решает

Сжигание ископаемого топлива для получения энергии вносит существенный вклад в климатический кризис. Чтобы смягчить его последствия, необходимо искать новые способы добывать энергию. Выходом может стать биотопливо

Что такое биотопливо

Биологическое топливо — это горючее растительного или животного происхождения. Предполагается, что оно заменит традиционные виды топлива из исчерпаемых ресурсов на те, которые производятся из возобновляемого сырья. Например, к биотопливу можно отнести обычные дрова или рапсовое масло. Однако дизель и бензин вытеснили эти виды топлива, так как они дешевле, а массовая автомобилизация требовала больших объемов топлива. Почему люди вновь вернулись к биотопливу? Первая причина — климатический кризис, который усугубляется выбросами парниковых газов от использования ископаемого топлива. На транспорт приходится практически четверть от всей эмиссии углекислого газа, связанной с производством энергии. С 1970 года объем выбросов парниковых газов в транспортном секторе вырос вдвое, из которых 80% приходится на дорожный транспорт. Вторая причина — поиск возобновляемых источников энергии, так как запасы нефти и угля вскоре могут полностью закончится. Сюда же можно добавить и скачки цен на углеводороды.

Виды биотоплива

• Твердое
• Жидкое
• Газообразное

Твердое биотопливо

Самый типичный и древний вид твердого биотоплива — дрова. Однако сейчас в чистом виде и в крупных масштабах их уже почти не используют. Наиболее ходовым твердым видом биотоплива стали пеллеты, получаемые из древесных опилок или коры, соломы, оливковых косточек, ореховой скорлупы или шелухи семечек подсолнечника. Также пеллеты делают из навоза крупного рогатого скота.

Пеллеты заменяют уголь, дрова и солярку. При сгорании они не выделяют вредных веществ и практически не дымят (в отличие от угля и дизеля). Кроме того, они более энергоэффективны, чем обычные дрова. Плюс пеллетов также в минимальном содержании золы, что снижает потребность в обслуживании печей и котлов. Кроме того, они имеют самую низкую цену по сравнению с другими видами биотоплива.

Жидкое биотопливо

Биоэтанол — наиболее популярное и массовое жидкое биотопливо. Его получают путем ферментации крахмала или сахара. Бразилия и США входят в число лидеров по производству биоэтанола. В США биотопливо на основе этанола производят из кукурузы и обычно смешивают с бензином для получения гибридного топлива. В целом в США на биотопливо приходится 5% от всего энергопотребления. В Бразилии биотопливо на основе этанола делают из сахарного тростника, а в Англии даже производят из сахарной свеклы.

Биодизель — второе по популярности жидкое биотопливо. Биодизель делают в основном из масличных растений, таких как соя или масличная пальма, и в меньшей степени из других масляных продуктов, например, отходов кулинарного жира после жарки во фритюре. Биодизель используется в дизельных двигателях и обычно смешивается с нефтяным дизельным топливом в различных пропорциях.

Биобутанол — четырехуглеродный спирт, который также относится к биотопливу. Его делают из того же сырья, что и этанол. Преимущества биобутанола по сравнению с биоэтанолом заключаются в том, что биобутанол не смешивается с водой, имеет более высокое содержание энергии и более низкое давление паров, что означает более низкую летучесть в результате испарения.

Диметиловый эфир. Его можно получить из биомассы, но в промышленных масштабах исходным сырьем для него остается природный газ. Плюс такого топлива в том, что его энергоэффективность практически равна дизельному топливу, однако плотность энергии у диметилового эфира вдвое ниже, чем у дизельного топлива, поэтому для него требуется топливный бак в два раза больше. К тому же для транспортных средств нужна специально разработанная система для работы двигателя на диметиловом эфире.

Сейчас инженеры активно разрабатывают новое поколение жидкого биотоплива, полученного с помощью водорослей. Водоросли выращивают в больших бассейнах или на фермах, они превращают солнечный свет в энергию и хранят ее в виде масла. Масло извлекается механически (при прессовке биомассы) или с помощью химических растворителей, которые разрушают стенки клеток. Дальнейшая переработка и очистка дает биотопливо, подходящее для использования в качестве альтернативы традиционным видам топлива.

Газообразное биотопливо

Биогаз — это газ, состоящий в основном из метана и углекислого газа в различных пропорциях в зависимости от состава органического вещества, из которого он был получен. Основными источниками биогаза являются отходы животноводства и сельского хозяйства, сточные воды и органика из бытовых отходов. Биогаз образуется в результате процессов биологического разложения без доступа кислорода (анаэробное сбраживание).

Биоводород — аналог обычного водорода, который получают из биомассы. Термохимический способ представляет собой нагрев исходного сырья без доступа кислорода до высоких температур, например, древесных отходов, при котором выделяется водород и другие попутные газы. При биохимическом способе получения биоводорода в биомассу добавляют специальные микроорганизмы, которые ее разлагаются с выделением водорода.

Плюсы и минусы биотоплива

Преимущества:

1. Возобновляемость ресурса. Ископаемое топливо — это иссякаемый источник энергии, который со временем закончится. Поскольку биотопливо производится из растительных веществ, оно теоретически является возобновляемым.
2. Снижение негативного влияния на окружающую среду. При сжигании биотоплива количество углекислого газа снижается до 65%, что сокращает вклад отрасли в изменение климата. Кроме того, биоэтанол и биодизель содержат меньшие концентраций таких химических веществ как хлор и сера. Это означает, что биотопливо помогает снизить выбросы этих загрязнителей в атмосферу.
3. Экономическая безопасность. Биотопливо можно производить на месте, создавая рабочие места в том же регионе, где оно будет потребляться, тем самым сокращая транспортные расходы и выбросы. Кроме того, производство собственного биотоплива снижает зависимость страны от поставок нефти из других государств.
4. Долговечность двигателя. Поскольку биотопливо содержит меньше примесей в сравнении с традиционными видами топлива, то и двигатели будут загрязняться меньше и реже выходить из строя.

Недостатки:

1. Потеря лесов. Производство биотоплива требует огромных территорий под выращивание сырья. Это может привести к массовым вырубкам лесов, чтобы освободить площади.
2. Продовольственный кризис. Производство биотоплива может повлиять на экономику, связанную с ценами и доступностью продуктов питания, так как пахотные земли будут отводиться под культуры для биотоплива, а не для пищи.
3. Деградация почвы. Выращивание одних и тех же культур (монокультур) приведет к истощению почвы и росту числа вредителей. Для борьбы с ними будут использовать химические пестициды, как следствие — снижение плодородия почвы и потеря биоразнообразия.
4. Использование ресурсов. Количество энергии, производимой с помощью биотоплива, значительно меньше, чем от сжигания ископаемого топлива, а это означает, что для удовлетворения энергетических потребностей того же количества людей требуется гораздо больше земли, воды и удобрений.
5. Энергетические затраты. При оценке экономических выгод от биотоплива необходимо учитывать энергию, необходимую для его производства. Например, в процессе выращивания кукурузы для этанола используются ископаемые виды топлива при производстве удобрений, транспортировке кукурузы и перегонке этанола. В этом отношении этанол, полученный из кукурузы, дает относительно небольшой выигрыш в энергии.

Где используется биотопливо

Пока речь в основном идет о потреблении его в домашних условиях. Обычно твердые виды биотоплива используют в бедных странах, где нет других источников энергии, для приготовления пищи, стирки и уборки или для обогрева самого дома. 80% всего потребляемого сегодня биотоплива используется как раз для этих целей. 18% биотоплива задействовано в промышленности как источник энергии и смазочных материалов. Биотопливо часто упоминают в качестве альтернативы бензину для автомобилей, но сейчас только 2% используется в транспортной отрасли.

Перспективы биотоплива

На сегодняшний день из развитых стран США являются крупнейшим производителем биотоплива, на них приходится почти 40% мирового рынка. Всего в 2019 году мировое производство биотоплива превысило 1,8 тыс. баррелей, доля на рынке которого составила $136 млрд. Пока это стало рекордом. Из-за пандемии коронавируса мировой рынок биотоплива упал примерно на 8% впервые за 20 лет.

У биотоплива есть шанс занять только часть рынка, поскольку его потенциал ограничивают искусственно. Так, в ЕС действуют правила, запрещающие использовать более 7% продовольственных культур в качестве сырья для биотоплива. В краткосрочной перспективе биотопливо не требует замены существующей инфраструктуры и двигателей, но маловероятно, что весь энергетический комплекс сможет перейти исключительно на него.