2.Биотопливо

Биоэнергетика — производство энергии из биотоплива различных видов. Биоэнергетикой считается производство энергии как из твердых видов биотоплива (щепа, гранулы (пеллеты) из древесины, лузги, соломы и т. п., брикеты), так и биогаза, и жидкого биотоплива различного происхождения.

Понятие «биоэнергетика» применяется как в электроэнергетике, так и в теплоэнергетике и совместном производстве тепла и электричества.

В России понятие «биоэнергетика» в энергетическом смысле стали использовать с появлением первых биотопливных предприятий, ориентированных на экспорт биотоплива в Европейский Союз. Именно там биотопливо используется на тепло-электростанциях для получения тепла и электричества. В России существует несколько проектов производства тепла и электричества из биотоплива (ТЭС), однако мощности этих энергоустановок невелики и не сравнимы с мощностями атомной индустрии.

В теплоэнергетике биотопливо получает все большее и большее развитие. Ряд областей ^[1] наращивают объемы производства биотоплива и переводят котельные на биотопливо. Например, Вологодская область намерена полностью использовать биотопливо в котельных региона в ближайшее время. Здесь также есть проекты по биоэнергетике для получения тепла и электричества.

Электростанции на биогазе

Биогаз — газ, получаемый водородным или метановым брожением биомассы. Метановое разложение биомассы происходит под воздействием трёх видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид — бактерии гидролизные, второй — кислотообразующие, третий — метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида. Одной из разновидностей биогаза является биоводород, где конечным продуктом жизнедеятельности бактерий является не метан, а водород.

КПД биогазовых электростанций достигает до 90% и позволит сократить расходы на электроэнергию, а также обеспечить полностью независимое производство экологически чистых удобрений и тепловой энергии. Биогазовые электростанции полностью окупятся в течение 4х лет, по истечению которых достигается значительная экономия на тепло- и электроэнергии и производстве удобрений, а также на плате за утилизацию органических отходов 3, 4 класса опасности. Использование экологически чистой электростанции дает возможность уменьшить выбросы метана (в 21 раз вреднее СО2) в атмосферу, предотвратить загрязнения почвы и грунтовых вод, радикально сократить использование минеральных удобрений и гербицидов и выпускать полностью экологически чистую продукцию, сократив закупку минеральных удобрений в этих хозяйствах.

Таким образом, электростанции на газе имеют ряд преимуществ. Во- первых, в качестве источника энергии используется компост, жидкий навоз и другое органическое сырье. То есть, биогаз заменяет традиционное топливо, что является экономией энергоресурсов. Во-вторых, у электростанций на биогазе высокая экономическая эффективности и короткие сроки окупаемости, что также способствует экономическому росту. И наконец, в-третьих, использование биологического сырья способствует снижению возникновения факторов, влияющих на возникновение парникового эффекта. Другими словами, представленная альтернатива традиционным электростанциям, заменяя их, сохраняет экологическое равновесие.

Биодизельное топливо

Биодизель — это биотопливо на основе растительных или животных жиров (масел), а также продуктов их этерификации. Растительное масло переэтерифицируется метанолом, реже этанолом или изопропиловым спиртом (приблизительно в пропорции на 1 т масла 200 кг метанола + гидроксид калия или натрия) при температуре 60°С и нормальном давлении. Сырьём для производства биодизеля служат жирные, реже — эфирные масла различных растений или водорослей.

Применяется на автотранспорте в чистом виде и в виде различных смесей с дизельным топливом. В США смесь дизельного топлива с биодизелем обозначается буквой B; число после буквы означает процентное содержание биодизеля. В2 — 2 % биодизеля, 98 % дизельного топлива. В100 — 100 % биодизеля. Примечательно то, что применение смесей не требует внесения изменений в двигатель.

Биодизель, как показали опыты, при попадании в воду не причиняет вреда растениям и животным. Кроме того, он подвергается практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99 % биодизеля, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озёр.

Сокращение выбросов СО₂. При сгорании биодизеля выделяется ровно такое же количество углекислого газа, которое было потреблено из атмосферы растением, являющимся исходным сырьём для производства масла, за весь период его жизни. Биодизель в сравнении с обычным дизельным топливом почти не содержит серы. Это хорошо с точки зрения экологии.

Под производство сырья для биодизеля отчуждаются большие земельные площади, на которых нередко используют повышенные дозы средств защиты растений. Это приводит к биодеградации грунтов и снижению качества почв. С другой стороны, жмых, получаемый в процессе производства растительного масла, используется в качестве корма для скота, что позволяет более полно утилизировать биомассу растения.

Производство биодизеля позволяет ввести в оборот неиспользуемые с/х земли, создать новые рабочие места в сельском хозяйстве, машиностроении, строительстве и т. д.

К достоинствам биодизеля относят его хорошие смазочные характеристики. Минеральное дизтопливо при устранении из него сернистых соединений теряет свои смазочные способности. Биодизель, несмотря на значительно меньшее содержание серы, характеризуется хорошими смазочными свойствами, что продлевает срок жизни двигателя. Это вызвано его химическим составом и содержанием в нём кислорода.

У биодизеля высокая температура воспламенения, что делает биогорючее сравнительно безопасным веществом. При работе двигателя на биодизеле одновременно производится смазка его подвижных частей, в результате которой, как показывают испытания, достигается увеличение срока службы самого двигателя и топливного насоса в среднем на 60 %. Важно отметить, что нет необходимости модернизировать двигатель. В результате увеличивается срок службы двигателя.

Немаловажно и то, что побочным продуктом производства является глицерин, имеющий широкое применение в промышленности. Очищенный глицерин используют для производства технических моющих средств (например, мыла). После глубокой очистки получают фармакологический глицерин, тонна которого на рынке стоит порядка 1 тыс. евро. При добавлении фосфорной кислоты к глицерину можно получить фосфорные удобрения.

Однако наряду с многочисленными достоинствами, биодизель обладает несколькими недостатками. В холодное время года необходимо подогревать топливо, идущее из топливного бака в топливный насос, или применять смеси 20 % биодизеля и 80 % солярки марки В20. Срок хранения у биодизельного топлива недолгий (около трех месяцев), а его растительное производство занимает сельскохозяйственные площади.

Мусор – как биотопливо

С появлением первой мысли о возможности использование мусора как вторичного сырья, в том числе как топлива, человек сразу начал развивать ее. Вот и сейчас переработки мусора, разработке различных способов уделяется огромное влияние, так как это помогает решить сразу две экологические проблемы: производство топлива, ресурсы для типичного производства которого ограничены, и утилизация мусора. С каждым годом экологические проблемы становятся все острее. поэтому последнее особенное внимание разработчики уделяют переработки мусора именно в биотопливо. В частности во многих регионах России сегодня единственной формой утилизации отходов остаётся захоронение. Мусороперерабатывающие заводы решают проблему лишь частично – выделяя и используя вторичное сырьё. Органическая же составляющая отходов остаётся невостребованной, становясь источником повышенной экологической нагрузки на окружающую среду. В связи с этим всё большим спросом пользуются технологии переработки органических отходов в нетрадиционные удобрения и энергоносители. 

В настоящее время общей проблеме утилизации отходов больше всего вопросов вызывает практически не разлагающийся естественным путем пластик. Вся жизнь вокруг нас насыщена пластиком, поэтому единственный способ – искать более эффективные способы переработки мусора. И уже существуют решения, приводящие не только к устранению этой проблемы, но и производству энергии в процессе переработки пластиковых отходов.

Все массовые программы по утилизации и повторному использованию оказываются недостаточно эффективными. По оценкам специалистов, в США утилизируется менее 4% пластика – это около 2 млн. тонн в год. При этом 46 млн. просто выбрасывается, накапливаясь в окружающей среде. Основной способ утилизации пластика – измельчение и дальнейшее использование для создания новых пластиковых изделий. Однако такой способ подходит только для пластика без примесей: стаканчики с остатками кофе и пищевые контейнеры просто копятся на свалках.

Ученые компании Evion из американского штата Мэриленд задумались над тем, что эти 46 млн. тонн пластика являются смесью нефти и газа – наиболее распространенных на данный момент источников электроэнергии. Разработчиками был спроектирован завод Envion Oil Generator (EOG), реактор которого в условиях вакуума проводит некаталитический низкотемпературный крекинг пластмасс, разлагая полимеры до более короткоцепочечных углеводородов. На выходе получается смесь углеводородов, по своим качествам весьма напоминающая нефть. При этом отходы производства – кислород, незначительное количество углекислоты и небольшое количество угольного шлака.

Существующая версия завода почти мобильна: он собирается на подвижной платформе размерами 14,3х4 м и способен перерабатывать в год до 10 тыс. тонн пластика (в процентном соотношении это составляет порядка 62% исходной массы пластик), производя на каждую тонну 3-5 баррелей нефти (что составляет более миллиона галлонов за год). Каждый такой завод может увеличиваться в масштабах простым добавлением новых реакторов, не требуя расширения всей системы. Естественно, на работу самого завода тратится часть вырабатываемого тут же топлива.

Исходные материалы практически не имеют значения – EOG одновременно способен перерабатывать смесь из полимеров разной структуры и степени плотности, практически все, которые широко используются в современной промышленности. Не играют особой роли органические примеси – они так же сгорают, выделяя при этом столь ничтожное количество углекислоты, что им можно пренебречь. КПД при переработке некоторых видов пластиков может достичь 80%.

Отдельно стоит отметить дешевизну данного способа переработки. Основные средства тратятся непосредственно на постройку завода и на производство первых порций топлива – дальше завод переходит на самообеспечение, и деньги тратятся лишь на заработную плату обслуживающим завод специалистам и сборщикам мусора. Таким образом, переработка одной тонны мусора оценивается в 30 долларов США, что невероятно мало по сравнению с другими способами переработки и прибыли от полученного в результате топлива. В сочетании с мобильностью завода этот способ переработки в скором времени станет одним из самых популярных.

Другая американская компания E-Fuel начала продажи собственного изобретения – домашнего мини-завода по переработке отходов в этанол, используемый в качестве автомобильного топлива. Установка под названием Microfueler состоит из ферментационной камеры, генератора и цистерны для готового топлива. В «реактор», заселенный бактериями, можно загружать различные отходы, богатые сахарами и целлюлозой: остатки пищи, бумагу и картон, опилки, даже водоросли. После семидневного цикла ферментации при достаточном количестве и качестве исходного материала образуется до 1250 литров денатурированного этилового спирта, который может заменить автомобильное топливо.

Разумеется, разработками в области переработки мусора занимаются не только американские специалисты.

Не так давно калининградская компания предложила самую передовую мировую разработку, при которой переработка мусора происходит практически в полном объеме и конечным продуктом являются биотопливо и шлаки, применяющиеся в строительстве. При плазменной переработке сырье не сжигается, а расщепляется на молекулярные составляющие. После этого образуется биогаз, который либо сепарируется в жидкое топливо, либо идет на работу турбин для производства электроэнергии. В ближайшее время на территории Калининградской области за 3-4 года планируется возвести 2 мусороперерабатывающих завода с плазменными реакторами.

Компании “Экоэнерджи” и “Биогазпром” (Швеция) также готовы инвестировать 400-300 млн евро в строительство завода по переработке мусора в тепло-, электроэнергию и биогаз в Донецке (Украина). Строительство завода может начаться в ноябре 2009 г., пробный запуск мусоросжигательного завода планируется осуществить осенью 2012 г. Завод будет оснащен 3 технологическими линиями: сортировочной, линией производства биогаза (метан и углекислый газ) и линией сжигания мусора с одновременным производством тепло- и электроэнергии. По предварительным расчетам, завод будет перерабатывать 469 тыс. т мусора, производить 120 МВт электроэнергии и 2,8 млн кубометров биогаза в год.

Таким образом, неоспорима начимость идей переработки мусора, так как 95% отходов хозяйственной деятельности человека можно использовать с пользой для окружающей среды и общества. При этом ресурсы для реализации идей поистине неисчерпаемые.

Производство топлива из мусора как вторичного сырья автономно и не требует внешних источников энергии, экологически чистое. Можно обеспечивать населенные пункты теплом, газом, электроэнергией. Осуществляется экономия невозобновляемых ресурсов и улучшение экологической обстановки.