1. Техніко-экономічне обґрунтування виробництва біопалива.

1.1 Класифікація біопалива.

Біопаливо - це тверде, рідке або газоподібне паливо, що отримується з біомаси термохімічним або біологічним способом.

Це визначення лягає в основу найпоширенішою та найпростішою, для розуміння, класифікації біопаливних продуктів, а саме - поділу їх за агрегатним станом. Однак, це не єдина і не претендує на максимальну повноту опису властивостей і застосування різних видів біопалива, класифікація. Фахівці біопаливної галузі частіше оперують класифікаціями біопалива за поколінням або за способом їх виробництва.

Розглянемо більш детально кожну із згаданих вище класифікацій.

Класифікація видів біопалива за агрегатним станом.

Тверде біопаливо.

Найпоширеніший представник виду - дрова. Опустивши історію виникнення і еволюцію процесу спалювання деревини, відзначимо, що в даний час для виробництва дров або біомаси використовуються так звані енергетичні лісу. У їх складі включають швидкорослі породи деревини, чагарників і трав (верба, тополя, евкаліпт, акація, цукровий очерет, кукурудза та ін). Посадку проводять квадратно-гніздовим способом або в шаховому порядку. В міжряддях з дерев часто висаджують сільськогосподарські культури (так звані комбіновані посадки). Період ротації енергетичного лісу (від зрізання до зрізання) становить 4-6 років. Екологічні переваги енергетичної біомаси:

• попередження ерозії ґрунту;

• при спалюванні біомаси, в атмосферу виділяється тільки CO₂, поглинений при її зростанні.

Яскравим прикладом використання біомаси є електростанція, розташована в Зіммерінзі (Австрія). Її потужність - 66 МВт. Щорічне споживання біомаси - 190 тисяч тонн.

Іншим, поки трохи менше поширеним видом твердого біопалива, є деревні паливні гранули (ДГТ). Це паливний продукт, отриманий пресуванням деревних відходів (тирси, тріски, кора, некондиційної деревини та ін), соломи, відходів сільського господарства (гною, курячого посліду, лушпиння соняшника, горіхової шкаралупи,) та іншої біомаси.

ДГТ - екологічно чисте біопаливо, зольність якого не перевищує 3 %.

Спрощено, процес виробництва ДГТ (або, як їх ще називають, пелет) виглядає наступним чином. Біосировину надходить у дробарку, де подрібнюється до консистенції борошна. Дана борошно передається в сушарку, а вже з неї - у спеціальний прес-гранулятор. Стиснення під час пресування підвищує температуру борошна, при цьому лігнін, що міститься в деревині, стає клейким, що дозволяє отримувати на виході щільні циліндрики. Готові гранули охолоджують, пакують у стандартну упаковку або доставляють споживачеві розсипом. Найбільш поширене застосування пелет - опалення об'єктів індивідуального будівництва (приватні будинки, котеджі), а також невеликих виробничих приміщень. Найбільш динамічно розвивається ринок споживання пелет - країни Європейського Співтовариства. За різними оцінками, в деяких країнах Європи до 2/3 житлових приміщень опалюються за допомогою пелет. Також необхідно відзначити, що в США і європейських країнах діє ряд стандартів на паливні гранули. Ознайомитися з ними Ви можете в нашому розділі «Бібліотека».

Також, серед видів твердого біопалива необхідно згадати паливні брикети (висушені і брикетировані енергоносії біологічного походження, наприклад, гній) і біологічні відходи з мінімальним ступенем підготовки до спалювання (тирса, тріска, кора, лушпиння, солома, лушпиння й т. д.). В Європі паливні брикети, поряд з пелетами, використовують для опалення житлових і виробничих приміщень, а тріску в основному спалюють на великих теплоелектростанціях потужністю до декількох десятків мегават.

Рідке біопаливо.

Вельми і вельми перспективний клас біопалива, основне застосування якого - двигуни. Його отримують з найрізноманітніших рослин - від пшениці і цукрових буряків, до ріпаку та відходів деревообробки.

Рідке, або як його ще називають, біопаливо моторне - речовина, що отримується в процесі переробки рослинної сировини (кукурудзи, ріпаку, цукрових буряків, цукрової тростини), засобами технологій, в основі яких лежить використання природних біологічних процесів (наприклад, бродіння).

Біоетанол.

Велика частка світового виробництва рідкого (моторного) біопалива припадає на біоетанол (етанол, одержуваний з цукрової тростини, зерна та цукрових буряків, а також метилового ефіру ріпакової з насіння ріпаку). Причина популярності біоетанолу криється в економічній ефективності його виробництва, т. к. при врожайності насіння ріпаку 2-4 т/га з 1 гектара можна отримати 1-1,5 тонни біоетанолу та 2-2,5 тонни високоякісних рослинних кормів. Характеристики моторного палива, що отримується з рослин, близькі до показників дизельного палива. При цьому шкідливі викиди при використанні біодизельного палива істотно менше.

Виробництво біоетанолу у всьому світі становить близько 40 млрд літрів (на 2006). Найактивніший «гравець» на ринку виробництва біоетанолу - Бразилія (48,5% загального обсягу). Етанол в Бразилії виробляється з цукрової тростини. У грудні 2007 року MnCAR (Центр Автомобільних Досліджень Міннесоти) опублікував результати своїх досліджень по темі енергоефективності застосування біоетанолу в автомобільному транспорті. Найбільший інтерес дослідження представляє результат експлуатації звичайних автомобілів. Дослідженню піддалися суміші від 2 % до 85% вмісту етанолу в бензині. Для звичайних автомобілів з ДВС самою оптимальною виявилася суміш Е30 (30% етанолу і 70% бензину). На цій суміші споживання палива знизилася на 1% (трохи, але набагато важливіше екологічні показники) порівняно з бензином (октанове число-95). Однією з найважливіших характеристик біоетанолу є паливний баланс (співвідношення енергії виділяється паливом до енергетичним витратам на його виробництво). В даний час, найкращий результат становить 1,24 (енергія, отримана з етанолу, на 24% перевищує енергію, витрачену на його виробництво). Але це не рекорд. так, наприклад, у Бразилії, багато цукрового очерету знайшла застосування в якості палива для електростанцій. В цих умовах паливний баланс етанолу, досягає коефіцієнта 8 - дуже хороший результат! Паливний баланс бензину відчутно гірше - для його виробництва потрібна велика кількість енергії (розвідка нафти, її видобуток і транспортування, переробка та доставка). Екологічний ефект використання біоетанолу в якості палива - зниження викидів діоксиду вуглецю (т. зв. парниковий газ). Зрозуміло, скорочення його викиду залежить від багатьох факторів використовується рослинна сировина, кліматична зона, накладні витрати на вирощування, транспортування і переробку. Зниження викидів CO₂ при виробництві етанолу із зерна станом на 2008 р. в США становило в середньому 21%. Однак, при модернізації спиртового виробництва, що полягає в переведенні його на природний газ, можливе зниження викидів вуглекислого газу на 29-35%.

Біометанол - метанол, одержуваний за допомогою біологічного перетворення морського фітопланктону. Виробництво цього виду біопалива почало зароджуватися в кінці 70-х, початку 80-х років, коли кілька європейських країн об'єднали свої зусилля з розробки проекту промислового культивування та переробки біомаси фітопланктону. Проектом передбачалося створення промислових зон в тих, що стояли порожніми, на той момент, прибережних районах. Однак, розвитку той проект не отримав, чому великою мірою сприяло суттєве зниження світових цін на нафту. Пройшли десятиліття і фахівці і компанії, зайняті в біопаливної галузі, знову повернулися до питань культивування фітопланктону і виробництва метанолу. Зараз цей напрям виробництва біопалива вважається одним з найперспективніших, оскільки відрізняється від інших більш високої виробленням біомаси (до 110 т/га фітопланктону в рік), відсутністю серйозних вимог до виробничої майданчику (не потрібні родючі ґрунти і прісна вода, т. е. процес не створює конкуренції сільському господарству) і високим рівнем енерговіддачі (11-14 на стадії отримання метану і до 9 на стадії вироблення метанолу).

Також у світовій практиці газопостачання накопичено достатній досвід використання інших джерел сировини для одержання біогазу. Так наприклад:

- газ метантенків, який одержують на міських каналізаційних очисних спорудах (БГ КОС);

- біогаз, який одержують в біогазових установках (БГУ) при зброджуванні відходів сільськогосподарських виробництв (БГ СГП);

- газ звалищ, одержуваний на полігонах відходів, що містять органічні компоненти (БГ ТПВ).

Метатенкові і сільськогосподарські біогазові установки не мають принципових відмінностей, за винятком використовуваного субстрату. Під час зброджування в гної розвивається мікрофлора, яка послідовно руйнує органічні речовини до кислот, а останні під дією сінтрофних і метаноутворюючих бактерій перетворюються в газоподібні продукти - метан і вуглекислоту.

У метантенках забезпечуються всі необхідні параметри процесу-температура(33-37º С) , концентрація органічних речовин, кислотність (6,8-7,4) і ін. Ріст клітин метанового біоценозу також визначається співвідношенням C:N, і оптимальне його значення складає 30:1. Деякі речовини, що містяться у вихідному субстраті, можуть інгібувати метанове зброджування. Наприклад, курячий послід часто інгібує метанове зброджування надлишком NH₃.

Біогаз, одержуваний на полігонах ТПВ. Процес некерованого газоутворення на полігонах побутових та інших відходів, що містять велику частку органічних компонентів, можна розглядати як процес отримання метанвмісного газу в акумулятивної системі, тривалість процесу до повного розкладання органічної частини тут набагато більше, ніж у метатенках.

У вітчизняній практиці системи утилізації біогазу на полігонах ТПВ поки не отримали широкого розповсюдження, тому при подальшому розгляді конструктивних особливостей систем збору і транспорту біогазу буде враховуватися зарубіжний досвід.

Біодизель - вид біопалива, для виробництва якого використовуються жири рослинного, мікробного і тваринного походження (а також одержуваних з них ефірів). Сировиною для виробництва біодизелю може виступати пальмова, рапсова, соєва та інші олії, відходи харчової промисловості, а також морські водорості. Біодизель знаходить застосування в автомобільних двигунах, причому використовувати його можна як в чистому вигляді, так і у вигляді сумішей з традиційним дизельним паливом. Зазвичай такі суміші маркують, вказуючи процентний вміст біодизеля, так в США для позначення сумішей дизельного палива з біодизелем використовується літера B, після якої потрібно число, що означає процентне входження біодизеля (В2 - 2%, В100 - 100 %). Застосування таких сумішей не потребує внесення конструктивних змін в двигуни.

Екологічний ефект від використання біодизелю доведено досить давно і не піддається сумніву:

• попадання біодизеля у воду не заподіює шкоди тваринному і рослинному світу;

• в ґрунті і воді біодизель

Екологічний ефект від використання біодизелю доведено досить давно і не піддається сумніву:

• попадання біодизеля у воду не заподіює шкоди тваринному і рослинному світу;

• в ґрунті і воді біодизель практично повністю розпадається за 25-30 днів;

• при згорянні біодизеля виділяється точно такий же обсяг вуглекислого газу, який був спожитий рослинами, які є сировиною для його виробництва, за весь період життя;

• на відміну від класичного дизельного палива, біодизель майже не містить сірки.

З практико-технічних переваг біодизеля можна виділити наступні:

• отриманий в ході виробництва біодизеля макуху можна використовувати як корми для худоби, що дозволяє найбільш повно використовувати сировинну біомасу;

• виробництво біодизеля сприяє введення в обіг низькоякісних невикористовуваних сільськогосподарських земель;

• біодизель має виняткові мастильними характеристиками, незважаючи на значно менший вміст сірки, у той час як звичайне мінеральне дизельне паливо при виключенні зі складу сірчистих сполук втрачає мастильні здібності.

Це перевага біодизеля визначається його особливим хімічним складом і, зокрема, вмістом у ньому кисню. Результати різних незалежних досліджень впливу біологічного дизельного палива на двигуни показують, що при використанні біодизеля на серійних, не модернізованих двигунах, термін служби двигуна і паливного насоса збільшується в середньому не менш ніж на 50%.

Високі показники значення техніко-економічних показників біодизеля і його незаперечні екологічні переваги обумовлюють постійне зростання в різних країнах числа державних програм, спрямованих на збільшення обсягів виробництва і споживання біодизеля. Зрозуміло, виробництво і використання біодизелю має певну специфіку і недоліки.. Однак, загальносвітове виробництво біодизеля в останні роки тільки збільшується, що характеризує даний вид біопалива як один з найбільш затребуваних і перспективних

Газоподібне біопаливо

Газоподібне біопаливо (біогаз, біоводень) - продукт, одержуваний в результаті бродіння біомаси або використання інших термо - і біохімічних процесів, спрямованих на її переробку. Найбільш поширені вид газоподібного біопалива - біогаз, одним з різновидів якого є біоводень.

Біогаз - газ, що отримується в ході бродіння біомаси (відходів) за допомогою впливу різних видів бактерій. Сучасна технологія виробництва біогазу послідовно використовуються три види бактерій, кожен з яких харчується продуктами життєдіяльності попереднього гідролізні бактерії; кислотоутворюючі бактерії; метаноутворюючі бактерії.

Перелік сировини, придатного для отримання біогазу, досить широкий. В основному, це органічні відходи, такі як фекальні опади, гній, пташиний послід, пивна дробина, буряковий жом, трава, побутові відходи, а також відходи рибних та забійних виробництв (кров, кишки) і т. д. Крім того, біогаз можна виробляти з енергетичних культур - силосної, а також водоростей. Вихід газу може досягати до 350 м³ з 1 тонни відходів і залежить від, власне, виду сировини і застосовуваних технологій (з тонни гною великої рогатої худоби отримують до 70 м³ біогазу, до 400 м³ біогазу можна отримати з різних видів рослин, до 1400 м³ метану отримують з жиру - це своєрідний «біогазовий рекорд»).

Екологічний ефект від використання біогазу - незаперечний. Його виробництво запобігає викиди в атмосферу метану, що провокує розвиток парникового ефекту. Крім того, перероблений гній, барда та інші рослинні і органічні відходи знаходять застосування в сільському господарстві як добрив. Це знижує потребу в хімічних добривах, що зменшує забруднення ґрунтових вод. Практичне застосування біогазу можливо у всіх сферах, де використовується звичайний природний газ. Після збагачення (очищення) біогазу до стану біометану (повний аналог природного газу з концентрацією метану до 99%) газ може використовуватися як моторне паливо, подаватися в загальну систему газопостачання в трубопроводи середнього або низького тиску, використовуватися на технологічні потреби в якості повної заміни природного газу.

Класифікація видів біопалива за поколінням

Як вже говорилося вище, при класифікацію видів біопалива за поколінням і технологій виробництва, різні фахівці та інформаційні структури багато в чому оперують одними і тими ж вхідними даними, тому найбільш правильний підхід є об'єднання цих двох класифікацій.

Біопаливо першого покоління виробляється з будь-якого сільськогосподарського сировини допомогою застосування традиційних технологій (близькі до природних, біологічні та термохімічні процеси, такі як бродіння). Зараз, питання подальшого нарощування оборотів виробництва біопалива першого покоління викликає у всьому світі запеклі дискусії. До цього виду палива належать біоетанол (виробляється з цукрової тростини, кукурудзи, пшениці і т. д.) і біодизель (отримується з олійних культур - сої, ріпаку, пальми, соняшнику).

Очевидно, що для їх виробництва потрібно використання якісних орних земель, різноманітна важка сільськогосподарська техніка, а також добрива і пестициди. Ці факти роблять виробництво біопалива прямим конкурентом харчового сектора економіки країни-виробника. З урахуванням досягнення у 2010-2012 роках цінами на продовольство свого історичного максимуму, багато експертів вважають необхідним знижувати обсяги виробництва біопалива першого покоління. Але з іншої точки зору, зв'язок між зростанням цін на продовольство і виробництвом біопалива тут вельми сумнівний. Восени 2008 року, коли спостерігалося зниження цін на продовольство віце-президент Російської біопаливної асоціації Олексій Аблаєв в одній з своїх публікацій дав, на наш погляд, дуже вірну оцінку впливу виробництва біопалива на вартість продовольства: «Ціни на продовольство зараз різко падають разом з цінами на нафту. Причому виробництво біопалива в США і Європі аж ніяк не зменшилася, а збільшилася. Вина виробництва біопалива в зростанні цін - це великий міф, штучно підтримуваний нафтовою галуззю. На вартість продовольства впливають рівень цін на нафту, збільшується споживання з боку Індії і Китаю. А біопаливо - це третій, четвертий фактор, але ніяк не перший».

Біопалива другого покоління виготовляються з харчового сировини (відпрацьовані жири і рослинні масла, біомаса дерев і рослин). Технологічно виробництво біопалива другого покоління являє собою процес отримання палива допомогою переробки целюлози і лігніну, що містяться в деревної або волокнистої біомасі. Перевага такого біопалива другого покоління полягає в тому, що сировину, необхідну для виробництва (рослини) може вирощуватися на менш упорядкованих, порівняно з біопаливом першого покоління, землях. Для їх виробництва потрібно мінімум техніки, добрив і пестицидів. Основний недолік виробництва криється у властивостях самої сировини - лігноцеллюлоза деревини - складний полімерний вуглевод, що вимагає більшого числа хімічних перетворень і, відповідно, енергії для отримання з нього рідких палив. Умовна ефективність виробництва енергії з біомаси біопалив першого і другого поколінь однакова і становить приблизно 50%. З лігноцеллюлози рослин отримують два основних види палива: біоетанол і біонафта.

Біопалива третього покоління виробляється з водоростей. Перспективність цього напряму розвитку біопаливної галузі пов'язана зі специфікою складу водоростей. За характеристиками, які можуть зацікавити фахівців біопаливної галузі, вони значно переважають рослини, середовищем існування яких є суша. Якщо говорити спрощено - водорості «жирніше», так, наприклад, в штамі водоростей вміст жирів становить від 75 до 85% сухої ваги. При використанні жиру для виробництва біопалива - «чим більше жиру, тим більше вихід енергії». Додатковою перевагою водоростей є те, що з однієї технологічної площадки можна збирати до 35 врожаїв у рік. Також, досить цікавим моментом є той факт, що якщо розміщувати майданчики для культивування «біопаливних водоростей» нижче скиду тепла ТЕЦ, можна «покрити» до 77% потреб у теплі, необхідному для вирощування водоростей.