3.3 Биоводород

Биоводород, продукт переработки биомассы, представляет собой превосходное чистое топливо. Его энергоемкость на единицу веса в 3 раза выше, чем у нефти. Биоводородом обычно называют не только водород синтезируемый в процессах биотехнологии, но и водород, образующийся в любых многоступенчатых процессах переработки биомассы.

Известно несколько путей получения биоводорода:

- брожение сахаросодержащего или крахмалистого сырья (багассы, мелассы и т.д.);

- электролиз воды с использованием биоэлектричества; это очень эффективный процесс, но относительно дорогостоящий (2000-3000 евро/т водорода при его энергоемкости 4,5 кВт • ч/м3);

- каталитическое изменение смеси биосингаза — смеси окиси угле-рода и водорода, получаемых из твердой биомассы;

- разделение биосингаза ш. мембранах;

- из водного раствора биоэганола;

- из биометанола через паровое риформирование.

Проще всего биоводород из биомассы можно получать путем бутилового или ацетонобутилового брожения сахарозы или крахмала:

2С₆Н,₂0₆ -> С₄Н₉ОН + СНз-СО-СНз + 5Ш₂ + 4Н₂ бутанол ацетон

Методом бутилового брожения можно произвести водорода:

• из 1 т мелассы - до 140 м , то есть из всего урожая мелассы в 2003 г. - 154 млн. м , или с 1 га плантаций сахарной свеклы в России -245 м ; дополнительно к водороду 1 т мелассы дает до 114 кг бутанола и до 36 кг ацетона, а весь годичный объем мелассы - 125000 т бутанола и 40000 т ацетона;

• из 1 т картофеля — 42 м³, или с 1 га плантаций — 1500 м³;

• из 1 тонны стеблей сладкого сорго — 50 м³, или с 1 га плантаций — 1500 м³.

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 м 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.

В СССР до конца 70-х годов XX столетия в эксплуатации находи­лось 4 ацетонобутиловых завода: в городах Грозном, Нальчике, Талица (Свердловской области) и Ефремов (Тульской области). К концу 90-х го­дов остались Грозненский и Ефремовский заводы, затем только Ефремовский завод.

Ефремовский завод производил до 50 т растворителей (бутанол/ацетон/этанол =13/4/1) и до 29 тыс. м³ водорода в сутки, или 15 тыс. т растворителей и до 8,7 млн м³ водорода в год, а Грозненский завод — 74 т растворителей и 43 тыс. м³ водорода в сутки, или до 22 тыс. т растворите­лей и 12,9 млн м водорода в год. К сожалению, весь образующийся водо­род в то время выпускался в атмосферу (углекислый газ шел на производ­ство жидкой и твердой углекислоты).

Таким образом, на этих заводах уже в конце 60-х годов в СССР впер­вые в мире были созданы промышленные производства биотоплив из био­массы (биоводород, биометан, биобутанол, биоацетон и биоэтанол).

Сейчас перспективы потребления биотоплив в Европе, при цене 350-450 евро за одну т, оцениваются следующим образом: 2005 г.- 5,0, 2010 г.-17,0, 2020 г. — 37,0 млн т (в 2000 г. потребление составило 0,9 млн т).

Одним из основных видов сырьевой биомассы в энергетике Евро­пейского Союза для получения биоводорода другими способами могут стать пиллеты (горючие брикеты) и древесная щепа, из которых путем га­зификации можно получать «синтез-газ», а также биоэтанол, биоводород и т.д.

Производство пиллет включает в себя пять основных стадий: скла-дирование и подготовка сырья; его сушка до влажности 18-19%; производство пиллет; их охлаждение, упаковка и складирование. Энергосодержание пиллет составляет 17-18 МДж/кг (3 м3 древесных пиллет по энергосодержанию эквивалентны 1 м нефти), плотность — 650-700 кг/м3, диаметр — 6-16 мм, длина — 20-30 мм; содержание золы — 0,4-1,0%, влажность —- 7- 12%, стоимость — 60-90 евро/т. Химической переработкой из 1 кг пиллет можно получить около 0,6 кг биосингаза.

Пиллеты в настоящее время широко используются в странах Евро-пейского Союза в основном для выработки тепловой и электрической энергии. Например, в Австрии общее количество приобретенных за период с 1997 по 2003 гг. бытовых бойлеров, работающих на пиллетах, составило около 22 тысяч комплектов, причем в 1997 г. было куплено 425 комплектов, а в 2003—5193.

Сырьем для газификации является могут быть также древесина, со-лома, стебли кукурузы, багасса, отходы растениеводства и лесоводства, кроме того, необходимое сырье выращивается на специальных плантациях. Стоимость 1 т биосингаза составляет 250 евро при стоимости исходной биомассы 20 евро/т (влажность 10%) и мощности завода 130 т биосинга-за/год.

Получение разнообразных продуктов из биомассы, являющихся сырьем для производства биоводорода осуществляется по обычным технологиям органического синтеза.