9.10.5. Виды топлив, получаемых из биомассы

Биоэтанол­ имеет следующие характеристики: формула С₂ Н₅ ОН, моле­кулярный вес 46,1 содержание С – 52,1, Н₂ – 13,1, О₂ – 34,7 % , С/Н = 4; стехиометрическое отношение (воздух/этанол) равно 9,0.

В 2002 г. в России из пищевого сырья получено 1,31 млн м³ биоэтанола, производство синтетического этанола составило 0,15 млн м³ , технического гидролизного этанола – 0,044 млн м³.

Россия располагает мощностями, позволяющими производить гидролизного спирта до 0,2 млн т/год. Однако гидролизные технологии, основанные на использовании серной кислоты, являются экологически вредными, поэтому необходимо разрабатывать современ­ные экологически чистые технологии эффективного разложения древесины на целлюлозу (полимер глюкозы) и лигнин.

Для производства этанола в России могут быть использованы и другие виды сырья: меласса (отходы сахарного производства), свекла и свекловичный жом, картофельный крахмал, сладкое сорго.

Объем производства мелассы в 2004 г. составил 1,1 млн т. Из 100 кг мелассы можно получить 30 л этанола, а из 1,1 млн т – 330 000 тыс. м³ стоимостью 99 млн дол.

В 2003 г. было произведено 17,4 млн т свекловичного жома. Из него можно получить 380 тыс. м³ этанола. Таким образом, общий выход этанола из отходов производства сахара может составить 710 тыс. м³.

При получении этанола непосредственно из сахарной свеклы (в 2003 г. собрали 21,7 млн т) выход этанола мог бы составить 1,7 млн м³ при содержании сахара в ней 16 %. Стоимость такого объема этанола оценивается 510млн дол.

Другим источником крахмала для данного производства является картофель. Из 1 т картофеля (содержание крахмала 14 – 16 %) можно получить до 60 л биоэтанола. При урожае картофеля, равном 36,6 млн т, потенциальный объем полученного из него биоэтанола мог бы составить 2,2 млн м^3. Картофель широко возделывается в России в регионах рискованного земледелия. Выращивание его для технических целей, например для производства этанола, может оказать существенное влияние на подъем экономики в этих областях. Для того чтобы производство биоэтанола в России достигло уровня его выработки в США, нужно засевать картофелем до 15 млн га/год. Потенциальным сырьем может стать также сладкое сорго, культивируемое на Северном Кавказе, Дальнем Востоке и в Поволжье. Урожайность сладкого сорго составляет 20 – 30 т/га. Из 1 т массы сорго можно получить 800 – 850 л сока с содержанием 20 % углеводов или 80 л биоэтанола (с 1 га – 2 м³ этанола).

Таким образом, перспективы развития производства транспортного этанола в России с последующим его экспортом достаточно оптимистичны. Однако очевидно, что основным сырьем должна стать древесина, что требует создания современных технологий ее разложения на лигнин и целлюлозу.

Биоэтанол можно получить из сахарной свеклы, сахарного тростника, кукурузы, пшеницы, картофеля, сладкого сорго, касавы [8]. Ниже приведены данные по производству биоэтанола.

Стоимость этанола в различных странах составляет [8], евро/м³:

Бразилия (95 % -ный спирт) 160

Бразилия (безводный спирт) 220

США (безводный спирт) 250

Европа (безводный спирт из сахарной свеклы 350 – 450

Импорт спирта в Европу 190

Мировая потенциальная потребность в этаноле равна 2 млрд т/год.

В настоящее время в мире производится 32 млн т/год этанола (пищевого 4, для химической промышленности 8, топливного 20 млн т/год); путем химического синтеза 7, брожением 93 %. При брожении 60 % этанола получают из сахарного тростника и сахарной свеклы, 40 % – из осахаренного крахмала зерна кукурузы или пшеницы.

В Бразилии в 1999 г. было произведено 6,5 млн т биотоплива, что обеспечило 13 % всех потребностей в энергоресурсах, 19 % потребностей в жидком топливе и позволило сэкономить 35,6 млрд дол. Для двигателей внутреннего сгорания используется смесь из 26 % этанола и 74 % бензина, а в дизельном топливе доля этанола составляет 3 %.

В настоящее время в Бразилии из сахарного тростника производится 13, а потребляется 12,6 млн т/год эталона. При этом необходимо отметить, что 1 баррель спирта стоит 25, а 1 баррель бензина – 35 дол.

Второе место в мире (после Бразилии) по производству биоэтанола занимают США: в 2003 г. выработано 5,5 млн т. Здесь 90 % биоэтанола получают из кукурузы, 8 % – из сорго. В 2004 г. производство биоэтанола в США составило 12,66 млн м³. На эти цели использовано 13 % урожая кукурузы. Конгресс США рассматривает законопроект, предусматривающий увеличение производства этого биотоплива в 3 раза.

В Калифорнии 70 % бензина, используемого на юге, и 57 % – на севере штата, смешивают с этанолом, так как введен запрет на применение метилтрибутилового эфира, соединение которого с бензином в двигателях внутреннего сгорания приводит к образованию вредных выбросов.

Добавление одной части этанола в бензин ведет к экономии трех частей нефти. Кроме того, спирт является единственным возобновляемым жидким топливом, использование которого в качестве добавок к бензину не требует изменения конструкции двигателей.

Планируется, что в ближайшее время потребление биоэтанола в США достигнет 19 млн т/год.

Кукуруза не является лучшим сырьем для производства биоэтанола, так как затраты при этом в два раза выше стоимости использованного топлива. Необходимо искать другие сырьевые источники. Например, предлагается производить биоэтанол из древесной целлюлозы – полимера глюкозы – или использовать традиционные источники сахарозы и крахмала: сахарную свеклу (меласса, свекольный жом), сахарный тростник (багасса), сладкое сорго, картофель и т.д.

Интерес представляет европейский проект «Сладкое сорго». В нем приводятся данные о том, что из сладкого сорго, собранного с 1 га, можно получить багассы (сухой) 15 т, зерна 5, сахара 7, листьев 1,88, корней 2,3 т, биоэтанола 3 – 5м³.

Прогнозируется, что к 2020 г. в мире будет произведено 120 млн т биоэтанола (в США и Канаде – 40 млн т).

Биоэтиптрибутиповый эфир (bio-etbe) получается смешиванием биоэтанола (48 % по объему) и третичного бутанола с последующим нагреванием в присутствии катализаторов (октановое число 112). Он используется в смеси с бензином для любых двигателей.

Биодизельное топливо – это продукт эфиризации (метилирования) растительных масел. В настоящее время в мире потребляется 145 л/чел в год дизельного топлива. Производство биодизельного топлива составляет, млн т/год: мировое 1,7, в странах Европейского союза 1,5 (в Восточной Европе 0,1), в США 0,07. Прогнозируется, что к 2020 г. мировое производство биодизельного топлива может составить 23 млн т/год.

В Европе для получения биодизельного топлива используется рапсовое масло (1,0 – 1,5 т/га). Оно метилируется метанолом (1 т масла + 100 кг метанола + 100 кг глицерина) и добавляется к дизельному топливу в количестве 5 %. Современные дизельные двигатели могут работать полностью на биодизельном топливе.

Биометанол может стать предпочтительным топливом для топливных элементов. Его получают из биосингаза или из смеси Н₂ и СО, получаемых из биомассы в присутствии О₂ (производство синтетического метанола составляет 27 млн т/год).

Биоводород. Один из методов его производства из биомассы – это ацетонобутиловое или бутиловое брожение сахарозы или крахмала. Ацетоно­бутиловое брожение (Cl. Acetobutylicim) сахарозы происходит по следующему механизму: 2 М глюкозы = 1 М бутанола + 1 М ацетона + 4 М водорода + 5 М СО₂ (где М – молекула).

Из 1 т мелассы образуется 80 м³ водорода. С 1 га плантаций сахарной свеклы (мелассы) можно получить до 140 м³ водорода. Попутно из 1 т мелассы вырабатывается примерно 114 и 36 кг бутанола и ацетона, а из всего годичного объема мелассы – 125 и 40 тыс. т.

Из 1 т мелассы можно получить до 140 м³ водорода (из всей произведенной в 2003 г. мелассы – 154 млн куб. м водорода), а с 1 га плантаций сахарной свеклы – 245 м³.

В СССР до конца 70-х гг. XX в. работало четыре ацетонобутиловых завода: в городах Грозном, Нальчике, Талице (Свердловская обл.) и Ефремове (Тульская обл.). К концу 90-х годов остались заводы только в Грозном и Ефремове.

На заводе в Ефремове в сутки производилось до 50 т растворителей в соотношении бутанол: ацетон: этанол = 13:4:1 и до 29 тыс. м³ водорода (в год 15 тыс. т растворителей и до 8,7 млн м³ водорода), а в Грозном – 74 т растворителей и 43 тыс. куб. м водорода (в год 12,9 млн м³ водорода и до 22 тыс. т растворителей).

Весь образующийся водород выпускался в атмосферу, а углекислый газ использовался для производства жидкой и твердой углекислоты.

Ацетонобутиловый завод в Ефремове можно восстановить.

В 1967 г. на ацетонобутиловом заводе в Ефремове и в 1969 г. – в Грозном были введены в эксплуатацию цеха по выпуску кормового витамина В-12 методом термофильного метанового брожения барды (жидких отходов этих производств). Кроме витамина В-12 каждый цех производил биогаз до 30 тыс. м /сут, который использовался для получения тепловой энергии и полностью обеспечивал весь производственный цикл. При этом перерабатывалось барды 3 тыс. м³ /сут.

Для получения биоводорода из крахмала используются картофель и сорго. При ацетонобутиловом брожении из 1 т картофеля можно получить 25 м³ водорода, 340 кг бутанола и 110 кг ацетона (с 1 га картофельных плантаций – 875 м³ водорода, 12 т бутанола и 4 т ацетона); при бутиловом брожении из 1 т картофеля – 42 м³ водорода (с 1 га – 1 500).

Переработка 1 т стеблей сорго при ацетонобутиловом брожении дает до 30 м³ водорода, 114 кг бутанола и 40 кг ацетона, а при бутиловом брожении – 50 куб. м водорода (с 1 га плантаций сахарного сорго при ацетонобутиловом брожении – 900 м³ водорода, 3,4 т бутанола и 1,2 т ацетона, при бутиловом брожении —1 500 м³ водорода).

Получение биодизельного топлива. В России имеются возможности производства растительных масел для получения и экспорта биодизельного топлива. Основными природными источниками растительных масел являются подсолнечник, лен и горчица. Значительно меньше используются кукуруза, соя и рапс. Ве­дущее место занимает подсолнечник. В 2000 г. в России произведено более 4 млн т растительных масел.

Перспективным является расширение традиционного российского производства льна в средней полосе, а в южных регионах – подсолнечника, сои и рапса.

Достижения развитых и развивающихся стран в области производства и потребления биотоплив представляют значительный интерес как для решения локальных энергетических проблем в современной России, так и для выхода России в качестве крупного поставщика биотоплив на мировой и европейские рынки.

Биогаз (смесь 55 – 75 метана и 25–45 % СО₂) получается путем метанового брожения биомассы (80 – 92 %-ной влажности). Его теплота сгорания составляет 21 – 29 МДж/кг (5000 – 7000 ккал/м³) и зависит от концентрации метана. Количество метана, в свою очередь, определяется биофизикохимическими особенностями сырья и в некоторых случаях применяемой технологией. Выход биогаза из 1 т абсолютно сухого вещества составляет, м³: 250 – 350 для отходов жизнедеятельности крупного рогатого скота, 400 – для отходов птицеводства, 300 – 600 – для различных видов растений, до 600 для отходов (барды) спиртовых и ацетонобутиловых заводов.

Ведущей страной по количеству крестьянских биогазовых установок является Китай (более 10 млн установок). Здесь в год производится около 7 млрд м³ биогаза, что обеспечивает топливом около 60 млн крестьян.

Среди промышленно развитых стран наиболее широко биогаз используется в Дании, где доля биогаза составляет до 18 % общего энергобаланса страны.

С 1987 по 1995 г. в Европе построено более 150 крупных промышленных биоэнергетических станций на базе использования биогаза. В 2001 г. в мире было введено в эксплуатацию свыше 1 000 биогазовых установок и станций, из них: 45 % – в Европе, 15 % – в США и далее следуют Бразилия, Китай, Индия и другие старны.

Значительная часть производимого биогаза используется для получения электрической энергии (48 – 104 кВт*ч на 1 т перерабатываемого сырья, как правило, органических отходов).

В провинции Онтарио (Канада) построен биогазовый завод по переработке 180 тыс. т/год ТБО и производству 25 млн м³ /год биогаза, который конвертируется в 5,5 МВт тепловой и электрической энергии и 60 тыс. т/год компоста.

К производству биогаза относится также получение лендфиллгаза. В настоящее время во многих странах создаются специальные инженерно обустроенные хранилища для ТБО с целью извлечения из них биогаза, используемого для производства электрической и тепловой энергии.

В мире лендфиллгаз применяется в энергооборудо­вании различных типов:

Количество, шт.

Газовые двигатели (двигатели внутреннего сгорания) 581

Газоводяные котлы 277

Тепловые электростанции 187

Газовые турбины 39

Системы выпаривания 17

Печи для обжига 14

В местечке Мон-Сант-Гуиберт (Бельгия) работает электростанция из 13 модулей, использующая биогаз. Она перерабатывает 300 тыс. т ТБО в год. Ее мощность составляет 9,5 МВт, мощность одного модуля 700 кВт. Скорость поступления лендфиллгаза (50 % метана) 5500 м³/ч.

В США к 2002 г. эксплуатировалось 350 заводов по производству лендфиллгаза, в Европе – 750. Всего в мире их 1152 общей электрической мощностью 3929 МВт; они перерабатывают 4548 млн т отходов в год; общая скорость выделения биогаза – 1,6 млн м³ /ч.