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].