Биогорива. Видове и видове екологични горива

В края на 20 век въпросът за търсенето на нови, алтернативни източници на енергия възниква пред човечеството. Причината за това беше предстоящата горивна и енергийна криза и непрекъснато нарастващото замърсяване на околната среда. Беше необходимо да се намерят нови източници на топлинна енергия, които да заменят петрола и газа. Заедно с развитието на слънчевата енергия се появи и друга по-обещаваща и най-важното по-бюджетна посока - използването на биогорива.

Биогоривата са горива, получени при преработката на биомаса чрез термохимични или биологични средства - с помощта на бактерии. Както биомасата могат да се използват както растителни, така и животински суровини, както и органични остатъци от производството и отпадъци от добитък. Най-често използваните източници са растения и дървесни отпадъци.

В зависимост от агрегатното състояние се различават следните видове биогорива:

• Твърди (дърво, дървесен чипс, горивни брикети, горивни пелети, горивен торф);
• Течни (биоетанол, биобутанол, биометанол, биодизел);
• Газообразен (биогаз, биоводород).

Твърди биогорива

Дървата за огрев, както преди векове, продължават да се използват за получаване на топлина и електричество. Пример за най-голямата електроцентрала на биомаса в Европа е австрийската ТЕЦ. Капацитетът му е 66 MW.

Въпреки факта, че светът активно развива и финансира проекти за създаване на енергийни гори, където се отглежда дървесна биомаса, използването на различни продукти от дървообработващата индустрия за получаване на биогорива привлича все повече и повече внимание. Такива предприятия вече са доста добре развити и активно предлагат своите продукти на пазара. Те включват горивни брикети и горивни пелети - пелети.

За получаване на горивни брикети, различни биоотпадъци, като птичи тор и оборски тор, се сушат и пресоват. Получените брикети се използват за отопление на жилищни и промишлени помещения.

Гранули с гориво - гранули се използват по подобен начин. Произвеждат се от дървени стърготини, дървесни стърготини, кора, некачествена дървесина, слама, селскостопански отпадъци (люспи от слънчоглед, черупкови плодове). За да се получат пелети, биомасата първо се натрошава в брашно, след което попада в сушилнята, а от нея в специална преса, където под въздействието на налягане и висока температура лигнинът, съдържащ се в дървесните отпадъци, става лепкав. Това дава възможност да се получат готови бутилки с биогориво на изхода. Отличително качество на горивните пелети е ниското им съдържание на пепел - около 3%.

Технологията за получаване на горивен торф, използван за отопление на жилищни сгради, също е проста. Суровините се доставят директно от мястото за добив до торфопреработвателното предприятие, където торфът се почиства от примеси (пресява се), изсушава се и се пресова в брикети.

Друг вид биогориво - дървесен чипс - се използва в Европа при големи ТЕЦ с мощност от един до няколко мегавата. Производството на дървесен чипс се извършва директно при дърводобив или в производството с помощта на специални раздробяващи машини - дробилки. Като суровина обикновено се използват дребни дървесни и дървесни остатъци - клони, кора, пънове и др.

Поколения алтернативни горива

Широката гама от растителни материали, използвани за биомаса, обикновено се разделя на няколко поколения.

Първото поколение включва земеделски култури, които съдържат висок процент нишесте, захари, мазнини. Това са такива популярни растения като царевица, захарно цвекло, рапица, соя. Тъй като отглеждането на тези култури уврежда климата и изтеглянето им от пазара влияе върху ценообразуването на продуктите, учените се опитват да ги заменят с други видове биомаса.

Понастоящем почти всички видове съвременни течни горива (биодизел, етанол) се произвеждат от селскостопански растения, принадлежащи към първото поколение суровини.

Групата от второ поколение биомаса включва дървесина, трева, селскостопански отпадъци (черупки, люспи). Получаването на биогорива от такива суровини е скъпо, но дава възможност да се реши въпросът с изхвърлянето на нехранителни остатъци с едновременно производство на горими материали.

Характеристика на културите, включени в този сорт, е наличието на лигнин и целулоза в тях. Благодарение на тях биомасата може да се изгаря и газифицира, както и да се подлага на пиролиза, като се получава течно гориво. Основният недостатък на биомасата от второ поколение се счита за недостатъчен добив от единица площ, поради което за такива култури трябва да се отделят значителни поземлени ресурси.

Суровината за производството на биогорива от трето поколение са водорасли, които се отглеждат в индустриален мащаб, например в открити водни тела.

Най-обещаващият вариант се счита за биогорива, получени от едноклетъчни водорасли. Такива растения бързо наддават на тегло, докато отглеждането им не изисква плодородна земя.

Тази практика има големи перспективи, но в момента такива технологии се разработват само. Учените също провеждат изследвания върху създаването на методи за получаване на биогорива от четвърто и дори пето поколение.

Течни биогорива

Течните биогорива стават все по-популярни поради своята екологичност и безопасност. Използва се главно в двигатели с вътрешно горене. Този вид гориво се получава чрез обработка на различни растителни материали.

Има основни видове течни биогорива:

1. Биоетанол
2. Биобутанол
3. Биометанол
4. Биодизел

Биоетанол

Заема водеща позиция в списъка с течни биогорива. Обхватът му е в обикновените автомобили, а през последните години се използва и като биогориво за домашни камини. Биоетанолът, смесен с бензин като гориво, има редица предимства пред конвенционалния бензин: подобрява работата на двигателя на автомобила, увеличава мощността му, не прегрява двигателя, не образува сажди, въглеродни отлагания и дим.

Биоетанолът е чудесна алтернатива за любителите на камината. Тъй като не образува дим, сажди и отделя малко количество въглероден диоксид по време на горенето. Може да се използва за отопление на камини дори в жилищни сгради. В същото време изобщо няма загуба на топлина, както обикновено се случва при експлоатацията на конвенционални камини с комин.

Произвежда се по технология на алкохолна ферментация от суровини, съдържащи нишесте или захар: царевица, зърнени храни, захарна тръстика, захарно цвекло. Икономически оправдано е да се получава етанол от суровини, съдържащи целулоза.

Биобутанол

Като гориво за двигатели той е по-предпочитан от биоетанола: той се смесва по-добре с бензин и може да се използва като отделно гориво. За получаването му се използват традиционни култури: захарна тръстика, царевица, пшеница, захарно цвекло. Макар и по-малко популярен от биоетанола.

Биометанол

Технологията на производство все още е несъвършена и изисква въвеждането на много по-иновативни разработки. Предполага се, че се получава чрез биохимична трансформация на морския фитопланктон, култивиран в специални резервоари.Но досега не е било възможно да се установи производство в промишлен мащаб. Приложенията за биометанол са същите като за конвенционалния метанол. Това е производството на редица вещества (формалдехид, метилметакрилат, метиламин, оцетна киселина и др.), Като разтворител и антифриз.

Биодизел

Използва се в автомобилните двигатели както поотделно, така и в смес с конвенционално дизелово гориво. В допълнение към липсата на отрицателно въздействие на биодизела върху околната среда, многобройни проучвания подчертават още едно предимство. Поради ниското съдържание на сяра смазочните свойства на биодизела са по-добри, което помага да се удължи живота на серийните двигатели. Суровината за производство на биодизел могат да бъдат както растения (памук, соя, рапица), така и мазни масла (палма, рапица, кокос), водорасли.

Предимства и недостатъци на биогоривата

Биологичните горива имат своите положителни и отрицателни страни. Интересът към използването на този вид суровина се дължи на несъмнените му предимства. Те включват:

• Бюджетни разходи... Въпреки че понастоящем биогоривата се оценяват на почти същата цена като бензина, биоматериалите се считат за по-изгодно гориво, тъй като при изгаряне те произвеждат по-малко емисии. Биогоривата са подходящи за различни приложения и могат да бъдат адаптирани към различни конструкции на двигателя. Друг плюс е оптимизацията на двигателя, който остава по-чист за по-дълго с по-малко сажди и изгорели газове.
• Мобилност... Биогоривата се различават от другите алтернативни енергийни възможности по своята мобилност. Проектирането на слънчеви и вятърни инсталации обикновено включва тежки акумулаторни батерии, така че те най-често се използват стационарно, докато биогоривото може да се транспортира от един регион до друг без много затруднения.
• Възобновяем енергиен източник... Въпреки че според изследователите съществуващите находища на суров нефт ще продължат най-малко няколкостотин години, запасите от изкопаеми са все още ограничени. Биогоривата, произведени от растения и животински отпадъци, са възобновяеми ресурси, които не са застрашени от изчезване в обозримо бъдеще.
• Защита на земната атмосфера... Основен недостатък на традиционните въглеводороди е големият процент на CO2, който се отделя по време на горенето. Този газ създава парников ефект в атмосферата на нашата планета, създавайки условия за глобално затопляне. Когато биологичните вещества се изгарят, количеството въглероден диоксид се намалява до 65%. Освен това културите, използвани за производство на биогорива, консумират въглероден окис, намалявайки неговия дял във въздуха.
• Икономическа сигурност... Запасите от въглеводороди са разпределени неравномерно, така че някои държави са принудени да купуват нефт или природен газ, харчейки големи суми за придобиване, транспорт и съхранение. Различни видове биологично гориво могат да бъдат получени в почти всяка страна. Тъй като нейното производство и преработка ще изисква създаването на нови предприятия и съответно работни места, това ще бъде от полза за националната икономика и ще има положителен ефект върху благосъстоянието на хората.

Подобряването на технологиите и разработването на нови методи могат да засилят положителните ефекти на биогоривата. По този начин, развитието на технологии, използващи планктон и водорасли, значително ще намали цената му.

В същото време на съвременния етап от развитието на науките и технологиите производството на биогорива е свързано с редица трудности и неудобства. На първо място, това са естествени ограничения при отглеждането на растения. За растежа на посевите, използвани за производство на биомаса, трябва да се вземат предвид редица фактори, а именно:

• Използване на вода... Културите консумират много вода, което е ограничен ресурс, особено в сухи райони.
• Инвазивност... Културите, отглеждани с гориво, често са агресивни. Те заглушават автентичната флора, която може да навреди на биологичното разнообразие и екосистемата в региона.
• Торове... Много растения се нуждаят от допълнителни хранителни вещества, които могат да навредят на други култури или на цялостната екосистема.
• Климат. Някои климатични зони (например пустиня или тундра) не са подходящи за отглеждане на биогоривни култури.

Активното отглеждане на селскостопански растения също е свързано с изчерпването на селскостопанските ресурси. Неспазването на правилата на селскостопанската технология може да доведе до намаляване на съдържанието на полезни компоненти на почвата и в резултат до тяхното изчерпване, което ще влоши проблемът с храната.

Екосистемата е нарушена. Производството на биомаса обикновено изисква разширяване на земеделските земи. Често за тази цел територията се почиства, което води до унищожаване на микроекосистемата (например гора), смърт на растения и животни.

Вече се отглежда голям обем култури за производство на биогорива. Повече от 50% от рапицата в Европа се използва за производство на биомаса, повече от една трета от американското зърно, почти половината захарна тръстика, отглеждана в Бразилия

Има проблеми с отглеждането на монокултури. За да получат повече добиви от биомаса, производителите често засяват земята със специфично растение. Тази практика не е много добра за състоянието на земеделските земи, тъй като монокултурата води до промяна в околната среда.

В полетата, заети от един вид растения, обикновено паразитират специални видове вредители. Опитът да се контролират с помощта на инсектициди и пестициди води само до развитие на резистентност към тези агенти.

За да се избегнат описаните по-горе проблеми, учените съветват да не се пренебрегва биологичното разнообразие на посевите, комбинирайки няколко растения в полетата, както и да се използват местни сортове флора.

Газообразни биогорива

Има два основни вида газообразни горива:

• Биогаз
• Биоводород

Биогаз

Ферментационен продукт от органични отпадъци, който може да се използва като фекални отпадъци, отпадъчни води, битови отпадъци, кланични отпадъци, тор, тор, както и силаж и водорасли Това е смес от метан и въглероден диоксид. Органичните торове са друг продукт от преработката на битови отпадъци при производството на биогаз. Технологията на производство е свързана с трансформация на сложни органични вещества под въздействието на бактерии, извършващи метанова ферментация.

В началото на технологичния процес отпадъчната маса се хомогенизира, след което приготвената суровина се подава с помощта на товарач в нагрят и изолиран реактор, където процесът на метанова ферментация протича директно при температура около 35-38 ° C. Масата на отпадъците постоянно се смесва. Полученият биогаз влиза в резервоар за газ (използва се за съхранение на газ) и след това се подава към електрически генератор. Полученият биогаз замества конвенционалния природен газ. Може да се използва като биогориво или да генерира електричество от него.

Биоводород

Може да се получи от биомаса чрез термохимични, биохимични или биотехнологични методи. Първият метод за получаване е свързан с нагряване на дървесни отпадъци до температура 500-800 ° C, в резултат на което смес от газове - водород, въглероден оксид и метан - започва да се развива. В биохимичния метод се използват ензими на бактериите Rodobacter speriodes, Enterobacter cloacae, които предизвикват производството на водород по време на разцепването на растителни остатъци, съдържащи целулоза и нишесте. Процесът протича при нормално налягане и ниска температура.Биоводородът се използва за производството на водородни горивни клетки в транспорта и енергетиката. Все още не се използва широко.

Тенденции в развитието на световния пазар на биогорива

Движещите фактори за разпространението на биогоривата са заплахите от енергийна сигурност, изменението на климата и икономическия спад. Разширяването на производството на биогорива по света има за цел да увеличи дела на разхода на чисто гориво, особено в транспорта; намалена зависимост от вносен петрол за много страни; намаляване на емисиите на парникови газове; икономическо развитие. Биогоривата са алтернатива на традиционните горива, получени от нефт. Световните центрове за производство на биогорива през 2014 г. са САЩ, Бразилия и Европейския съюз. Най-разпространеният вид биогориво е биоетанолът, неговият дял е 82% от всички горива, произведени в света от биологични суровини. Водещите производители са САЩ и Бразилия. Биодизелът е на второ място. 49% от производството на биодизел е съсредоточено в Европейския съюз. В дългосрочен план непрекъснато нарастващото търсене на биогорива от сухопътен, въздушен и морски транспорт може драстично да промени настоящата ситуация на световния енергиен пазар. Използването на селскостопански суровини за производството на течни биогорива и нарастването на производството им са довели до търсенето на селскостопански продукти, което е повлияло на цените на хранителните култури, използвани в производството на биогорива. Биогоривата от второ поколение продължават да растат, като се очаква глобалното производство на биогорива от второ поколение да достигне 10 милиарда литра до 2020 г. Световното производство на биогорива до 2020 г. трябва да се увеличи с 25% и да възлезе на около 140 милиарда литра. В Европейския съюз по-голямата част от производството на биогорива е биодизел, произведен от маслодайни семена (рапица). Според прогнозите производството на биоетанол от пшеница и царевица, както и захарно цвекло ще се разшири в страните от ЕС. В Бразилия производството на биоетанол се очаква да продължи да нараства с ускорени темпове и до 2017 г. ще достигне приблизително 41 милиарда литра. Като цяло производството на биоетанол и биодизел се очаква да нарасне бързо до 2020 г. и ще достигне съответно 125 и 25 милиарда литра. Производството на биогорива започва да расте бързо в Азия. Към 2014 г. Китай е третият по големина производител на биоетанол и се очаква това производство да расте с повече от 4% годишно през следващите десет години. В Индия се очаква производството на биоетанол от меласа да се увеличи с повече от 7% годишно. В същото време производството на биодизел от нови култури като ятрофа се разширява.

Според прогнозите на Световната енергийна агенция (IEA) недостигът на петрол през 2025 г. ще бъде оценен на 14%. Според IEA, дори ако общият обем на производството на биогорива (включително биоетанол и биодизел) достигне 220 милиарда литра до 2021 г., тогава производството му ще покрие само 7% от търсенето на горива в света. Темпът на растеж на производството на биогорива изостава значително от растежа на търсенето за тях. Това се дължи на наличието на евтини суровини и недостатъчното финансиране. Масовата търговска употреба на биогорива ще се дължи на постигането на ценово равновесие с конвенционалните петролни горива. Според прогнозите на учените делът на възобновяемите енергийни източници до 2040 г. ще достигне 47,7%, а биомасата - 23,8%.

С настоящото ниво на технологично развитие производството на биогорива ще представлява малка част от глобалното енергийно снабдяване, а цените на енергията ще повлияят на цената на селскостопанските суровини.Биогоривата могат да повлияят по различен начин на продоволствената сигурност - нарастващите цени на суровините, обусловени от производството на биогорива, могат да навредят на вносителите на храни, от друга страна, да стимулират местното земеделско производство от дребните фермери.

ЕКИП ЗА ГАЗОВЕ

Газови горива се получават и от биомаса, която също е отлична за автомобили. Например метанът е един от основните компоненти на природните и така наречените асоциирани газове, произведени по време на дестилацията на петрол. Такъв минерал лесно може да бъде заменен от ненужна планина от органични отпадъци - от банален тор до отпадъци от рибната, месопреработвателната, млечната и зеленчуковата промишленост. Тази биомаса захранва бактериите, които произвеждат биогаз. След почистването му от въглероден диоксид газ се получава така нареченият биометан. Основната му разлика от обикновения метан, върху който работят много производствени модели, е, че той не е минерал. Е, нещо, но оборският тор и растенията преди края на живота на планетата няма да свършат.

Схема за производство на биометан (всички диаграми и таблици се отварят в пълен размер чрез щракване с мишката):

Биогоривата като алтернативен източник на енергия:

Човечеството винаги е било остро изправено пред въпроса за намирането на евтини енергийни източници, чието получаване не изисква прекомерни разходи. Проблемът с използването на енергийните ресурси стана особено остър през 20-ти век, когато стана ясно, че безмисленото изгаряне на въглеводороди би довело до по-нататъшно намаляване на техните земни резерви. Учените са стигнали до извода, че запасите от нефт и газ с времето ще се изчерпват, а разходите за разработване на нови находища ще се увеличат значително, тъй като ще трябва да бъдат привлечени повече оборудване и производствени мощности. През този период екологията се влоши значително, реагирайки болезнено на изчезващата горска покривка и продължаващото замърсяване на атмосферата, недрата и водата.

Уместността на търсенето на алтернативни източници на топлинна енергия, които биха могли да заместят природния газ и петрола, се увеличи. И такава ефективна посока, заедно със слънчевата енергия, вятърната енергия се превърна в използването на енергийни носители от биологичен произход (биогориво).

Под горивото от биологичен произход (биогорива) трябва да се разбира като продукт, синтезиран от животински или растителни суровини, както и от биологични отпадъци, който под определено влияние отделя топлинна енергия.

Наред с други определения биогорива има и следното: "Биогоривото е гориво, получено от биомаса в резултат на термохимична или биологична реакция."

54-60% от биогоривата са традиционните му форми: дърва за огрев, растителни остатъци и изсушен тор за отопление на къщи и готвене. Те се използват от 38% от населението на света.

ВЕГЕТАРИАНСКО МЕНЮ

Дизеловото гориво също се приготвя по нестандартни рецепти. Суровините са рапица, соя, различни масла и мазнини. Такова гориво е маркирано с буквата В и цифри, съответстващи на дела на растителните компоненти в сместа. Цетановото число на горивото е по-високо от това на конвенционалното гориво: 51 срещу 42–45. Горивото е силно биоразградимо, без да навреди на околната среда и практически не съдържа сяра. Сред съществените недостатъци е краткият срок на годност.

Биодобавките за дизелово гориво все още не са получили такова широко приложение като биоетанол. Въпреки това се произвежда в много страни. Има държави, в които 5% биологичното съдържание е легализирано и не е необходимо да се споменава при продажба.