Біопаливо

Біопаливо

Є рідке біопаливо (для двигунів внутрішнього згоряння, наприклад, етанол, метанол, біодизель), тверде біопаливо (дрова, брикети, паливні гранули, тріска, солома, лузга) і газоподібне (синтез-газ, біогаз, водень).

 Види біопалива

 Покоління рослинних біопалив

 Рослинну сировину поділяють на покоління.

Першими почали використовувати традиційні сільськогосподарські культури з високим вмістом жирів, крохмалю, цукрів. Рослинні жири добре переробляються в біодизель. Рослинні крохмалі і цукри переробляються на етанол. Однак така сировина виявилася вкрай незручною: окрім витратного землекористування з виснаженням грунтів і високими потребами в обробці грунтів, добривах і пестицидах його вилучення з ринку прямо впливає на ціну харчових продуктів. Таку сировину відносять до першого покоління.

 Нехарчові залишки культивованих рослин, трава і деревина стали другим поколінням сировини. Його одержання набагато менш затратне ніж у культур першого покоління. Така сировина містить целюлозу і лігнін. Її можна прямо спалювати (як це традиційно робили з дровами), газифікувати (отримуючи горючі гази), здійснювати піроліз. Основні недоліки другого покоління сировини - займані земельні ресурси і відносно невисока віддача з одиниці площі.

 Третє покоління сировини - водорості. Не вимагають земельних ресурсів, можуть мати більшу концентрацію біомаси і високу швидкість відтворення.

 Види палив

Біопаливо може бути тверде, рідке та газоподібне. Тверде - це традиційні дрова (часто у вигляді відходів деревообробки) і паливні гранули (пресовані дрібні залишки деревообробки).

 Рідке паливо - це спирти (метанол, етанол, бутанол), ефіри, біодизель та біомазут.

 Газоподібне паливо - різні газові суміші з чадним газом, метаном, воднем одержувані при термічному розкладанні сировини в присутності кисню (газифікація), без кисню (піроліз) або при зброджуванні під впливом бактерій.

 Тверде біопаливо

Дрова - найдавніше паливо, використовуване людством. В даний час в світі для виробництва дров або біомаси вирощують енергетичні ліси, які з швидкозростаючих порід (тополя, евкаліпт та ін.).

 Паливні гранули та брикети - пресовані вироби з деревних відходів (тирси, тріски, кори, тонкомірної і некондиційної деревини,  залишків при лісозаготівлях), соломи, відходів сільського господарства (лушпиння соняшника, горіхової шкаралупи, гною, курячого посліду) і іншої біомаси. Деревні паливні гранули називаються пелети, вони мають форму циліндричних або сферичних гранул діаметром 8-23 мм і довжиною 10-30 мм.

 Енергоносії біологічного походження (головним чином гній і т.п.) брикетуються, сушаться і спалюються в камінах житлових будинків і топках теплових електростанцій, виробляючи дешеву електроенергію.

 Відходи біологічного походження - необроблені або з мінімальним ступенем підготовки до спалювання: тирса, тріска, кора, лузга, лушпиння, солома тощо.

 Деревна тріска - виробляється шляхом подрібнення тонкомірної деревини або залишків при лісозаготівлях безпосередньо на лісосіці або відходів деревообробки на виробництві за допомогою мобільних рубальних машин або за допомогою стаціонарних рубальних машин (шредерів). В Європі щепу в основному спалюють на великих теплоелектростанціях потужністю від одного до декількох десятків мегават.

 Часто також: паливний торф, тверді побутові відходи і т.д.

 Рідке біопаливо

  Біоетанол

 Світове виробництво біоетанолу в 2005 склало 36,3 млрд. літрів, з яких 45% припало на Бразилію і 44,7% - на США. Етанол в Бразилії виробляється переважно з цукрової тростини, а в США з кукурудзи.

 У січні 2007 року, у своєму щорічному посланні Конгресу Дж. Буш запропонував план «20 за 10». План пропонує скоротити споживання бензину на 20% за 10 років, що дозволить скоротити споживання нафти на 10%. 15% бензину передбачається замінити біопаливом. 19 грудня 2007 р. президент США Дж. Буш підписав закон про Енергетичну незалежність та безпеку (EISA of 2007). EISA of 2007 передбачає виробництво 36 мільярдів галонів етанолу на рік до 2022 року. При цьому 16 млрд галонів етанолу вироблятиметься з целюлози - не харчової сировини.

 Етанол є менш «енергощільним» джерелом енергії ніж бензин; пробіг машин, що працюють на Е85 (суміш 85% етанолу та 15% бензину; буква «Е» від англійського Ethanol), на одиницю об'єму палива складає приблизно 75% від пробігу стандартних машин. Звичайні машини не можуть працювати на Е85, хоча двигуни внутрішнього згоряння прекрасно працюють на Е10 (деякі джерела стверджують, що можна використовувати навіть Е15). На «справжньому» етанолі можуть працювати тільки так звані «Flex-Fuel» машини («гнучкопаливні» машини). Ці автомобілі також можуть працювати на звичайному бензині (невелика добавка етанолу все таки необхідна) або на довільній суміші того й іншого.

 Бразилія є лідером у виробництві та використанні біоетанолу з цукрової тростини в якості палива. Автозаправки в Бразилії пропонують на вибір Е20 (або Е25) під виглядом звичайного бензину, або «acool», азеотроп етанолу (96% С2Н5ОН і 4% води; вищу концентрацію етанолу неможливо отримати шляхом звичайної дистиляції). Користуючись тим, що етанол дешевше бензину, недобросовісні заправники розбавляють Е20 азеотропа, так, що його концентрація може негласно доходити до 40%. Переробити звичайну машину в «flex-fuel» можна, але економічно недоцільно.

 Критики застосування етанолу в якості автомобільного палива часто заявляють, що під плантації тростини часто вирубуються тропічні ліси Амазонки. Але цукрова тростина не росте в басейні Амазонки.

 Більш серйозним є те, що при згорянні етанолу у вихлопних газах двигунів з'являються альдегіди (формальдегід і ацетальдегід), що завдають живим організмам не меншу шкоду, ніж ароматичні вуглеводні.

 Біометанол

 
Промислове культивування та біотехнологічна конверсія морського фітопланктону розглядається як один з найбільш перспективних напрямків в галузі отримання біопалива.

 На початку 80-х низкою європейських країн спільно розроблявся проект, орієнтований на створення промислових систем з використанням прибережних  районів. Здійсненню цього проекту завадило загальносвітове зниження цін на нафту.

 Первинне виробництво біомаси здійснюється шляхом культивування фітопланктону в штучних водоймах, створюваних на морському узбережжі.

 Вторинні процеси являють собою метанове бродіння біомаси і подальше гідроксилування метану з отриманням метанолу.

 Основними перевагами на користь використання мікроскопічних водоростей є такі фактори:

  •  висока продуктивність фітопланктону (до 100 т/га на рік);
  • у виробництві не використовуються ні родючі грунти, ні прісна вода;
  • процес не конкурує з сільськогосподарським виробництвом;
  • енерговіддача процесу досягає 14 на стадії отримання метану і 7 на стадії отримання метанолу;

З точки зору отримання енергії ця біосистема має істотні економічні переваги порівняно з іншими способами перетворення сонячної енергії.

 Біобутанол

Бутанол (C4H10O) - бутиловий спирт. Безбарвна рідина з характерним запахом. Широко використовується в промисловості. В США щорічно виробляється 1,39 млрд літрів бутанолу приблизно на $ 1,4 млрд.

Бутанол почав вироблятися на початку XX століття з використанням бактерії Clostridia acetobutylicum. В 50-х роках через падіння цін на нафту почав вироблятися з нафтопродуктів.

Бутанол не має корозійних властивостей, може передаватися по існуючій інфраструктурі. Може, але не обов'язково повинен, змішуватися з традиційними паливами. Енергія бутанолу близька до енергії бензину. Бутанол може використовуватися в паливних елементах, і як сировина для виробництва водню.

Сировиною для виробництва біобутанолу можуть бути цукрова тростина, буряк, кукурудза, пшениця, маніока, а в майбутньому і целюлоза. Технологія виробництва біобутанолу розроблена компанією DuPont Biofuels. Компанії Associated British Foods (ABF), BP і DuPont будують у Великобританії завод з виробництва біобутанолу потужністю 20 млн літрів на рік з різної сировини.

 

Диметиловий ефір

Диметиловий ефір (ДМЕ) - C2H6O.

Може вироблятися як з вугілля, природного газу, так і з біомаси. Велика кількість диметилового ефіру виробляється з відходів целлюлозо-паперового виробництва. Зріджується при невеликому тиску.

Диметиловий ефір - екологічно чисте паливо без вмісту сірки, вміст оксидів азоту у вихлопних газах на 90% менше, ніж у бензину. Застосування диметилового ефіру не вимагає спеціальних фільтрів, але необхідна переробка систем живлення (установка газобалонного обладнання, корегування сумішоутворення) і запалювання двигуна. Без переробки можливе застосування на автомобілях з LPG-двигунами при 30% вмісті в паливі.

У липні 2006 року Національна Комісія Розвитку та Реформ (NDRC) (Китай) прийняла стандарт використання диметилового ефіру в якості палива. Китайський уряд підтримуватиме розвиток диметилового ефіру, як можливу альтернативу дизельному паливу. У найближчі 5 років Китай планує виробляти 5-10 млн тонн диметилового ефіру в рік.

Біодизель

Біодизель - паливо на основі жирів тваринного, рослинного і мікробного походження, а також продуктів їх етерифікації.

Для отримання біодизельного палива використовуються рослинні або тваринні жири. Сировиною може бути рапсова, соєва, пальмова, кокосова олія, або будь-яка інша олія-сирець, а також відходи харчової промисловості. Розробляються технології виробництва біодизеля з водоростей.

Біопаливо другого покоління

Біопаливо другого покоління - різне паливо, отримане різними методами піролізу біомаси, або інші види палива, крім метанолу, етанолу, біодизеля вироблене з джерел сировини «другого покоління».

Джерелами сировини для біопалива другого покоління є Лігніт-целюлозні сполуки, що залишаються після того, як придатні для використання в харчовій промисловості частини біологічної сировини видаляються. Використання біомаси для виробництва біопалива другого покоління направлено на скорочення кількості використаної землі, придатної для ведення сільського господарства. До рослин - джерел сировини другого покоління належать:

Водорості - які є простими організмами, пристосованими до зростання в забрудненій або солоній воді (містять до двохсот разів більше олії, ніж джерела першого покоління, такі як соєві боби);

Рижик (рослина) - росте в ротації з пшеницею та іншими зерновими культурами.

Jatropha curcas або Ятрофа - росте в посушливих грунтах, з вмістом олії від 27 до 40% залежно від виду.

Швидкий піроліз дозволяє перетворити біомасу в рідину, яку легше і дешевше транспортувати, зберігати і використовувати. З рідини можна виробляти автомобільне паливо, або паливо для електростанцій.

З біопалив другого покоління, що продаються на ринку, найбільш відомі BioOil виробництва канадської компанії Dynamotive і SunDiesel німецької компанії CHOREN Industries GmbH.

 

За оцінками Німецького Енергетичного Агентства (Deutsche Energie-Agentur GmbH) (при нині існуючих технологіях) виробництво палив піролізом біомаси може покрити 20% потреб Німеччини в автомобільному паливі. До 2030 року, з розвитком технологій, піроліз біомаси може забезпечити 35% німецького споживання автомобільного палива. Собівартість виробництва складе менше € 0,80 за літр палива.

Створена «Піролізна мережа» (Pyrolysis Network (PyNe) - дослідницька організація, що об'єднує дослідників з 15 країн Європи, США і Канади.

Вельми перспективно також використання рідкі продукти піролізу деревини хвойних порід. Наприклад, суміш 70% живичного скипидару, 25% метанолу і 5% ацетону, тобто фракцій сухої перегонки смолистої деревини сосни, з успіхом може застосовуватися в якості заміни бензину марки А-80. Причому для перегонки застосовуються відходи: сучки, пеньки, кора. Вихід паливних фракцій - до 100 кілограмів з тонни відходів.

 

Газоподібне паливо

Біогаз

Біогаз - продукт зброджування органічних відходів (біомаси), що представляє суміш метану і вуглекислого газу. Розкладання біомаси відбувається під впливом бактерій класу метаногенів.

 

Біоводень

Біоводень - водень, отриманий з біомаси термохімічним, біохімічним або іншим способом, наприклад водоростями.

 

Метан

Метан синтезується після очистки від всіляких домішок так званого синтетичного природного газу з вуглеводовмісного твердого палива, такого як вугілля або деревина. Цей екзотермічний процес відбувається при температурі від 300 до 450° C і тиску 1-5 бар в присутності каталізатора. У світі вже є кілька введених в експлуатацію установок отримання метану з деревних відходів.

 

Вуглеводні

Ряд мікроорганізмів, наприклад Botryococcus braunii, здатні накопичувати вуглеводнів до 40% від загальної сухої ваги. В основному вони представлені ізопреноідними вуглеводнями.

Поширення

За оцінками Worldwatch Institute в 2007 році у всьому світі було вироблено 54 мільярди літрів біопалив, що становить 1,5% від світового споживання рідких палив. Виробництво етанолу склало 46 млрд. літрів. США і Бразилія виробляють 95% світового обсягу етанолу.

У 2010 році світове виробництво рідкого біопалива зросло до 105 мільярдів літрів, що складає 2,7% від світового споживання палива на дорожньому транспорті. У 2010 році було вироблено 86 мільярдів літрів етанолу та 19 мільярдів літрів біодизеля. Частка США і Бразилії в світовому виробництві етанолу знизилася до 90%.

Біопаливо в Європі

Європейська комісія поставила завдання використовувати до 2020 року альтернативні джерела енергії як мінімум в 10% транспортних засобів. Є також проміжна мета в 5,75% до 2010 р.

У листопаді 2007р. у Великобританії було створено Агентство з відновлюваного палива (англ. Renewable Fuels Agency), яке має контролювати введення вимог до використання відновлюваного палива. Головою комітету став Ед Галлахер (Ed Gallaher), колишній виконавчий директор Агентства з навколишнього середовища.

Дебати з приводу життєздатності біопалива протягом 2008 року призвели до повторного всебічного дослідження проблеми комісією, очолюваною Галлахером. Було розглянуто непрямий вплив використання біопалива на виробництво харчових продуктів, різноманітність вирощуваних культур, ціни на продовольство і площу сільськогосподарських земель. У звіті пропонувалося зниження динаміки впровадження біопалива до 0,5% на рік. Мета в 5 відсотків таким чином повинна бути досягнута не раніше ніж в 2013/2014 р., на три роки пізніше, ніж було спочатку запропоновано. Більше того, подальше впровадження має бути пов'язане з обов'язковою вимогою до компаній застосовувати новітні технології, орієнтовані на паливо другого покоління.

з 1 квітня 2011 на більш ніж 300 шведських заправних станціях можна придбати новий дизель. Швеція стала першою країною в світі, де можна заправляти машини еко-дизелем, зробленим на основі олії шведських сосен. «Це хороший приклад того, як можна використовувати багато цінних складових лісу і як наше "зелене золото" може дати і більше робочих місць і кращий клімат» - так прокоментував цей факт міністр сільського господарства країни Ескіль Ерландссон / Eskil Erlandsson.

8 березня 2013 р. був виконаний перший комерційний трансатлантичний авіарейс на біопаливі. Рейс виконав літак Боїнг-777-200 авіакомпанії KLM за маршрутом Амстердам - ​​Нью-Йорк.

Економічний ефект

За оцінками Merrill Lynch припинення виробництва біопалива призведе до зростання цін на нафту і бензин на 15%.

Потенціал

За оцінками Стенфордського університету в усьому світі з сільськогосподарського обороту виведено 385-472 мільйона гектарів землі. Вирощування на цих землях сировини для виробництва біопалива дозволить збільшити частку біопалива до 8% у світовому енергетичному балансі. На транспорті частка біопалива може скласти від 10% до 25%.

 

Стандарти

У Європі з 1 січня 2010 року діє єдиний стандарт на біопаливо EN-PLUS.