В качестве замены обычным источникам энергии выступают различные типы биотоплива, создаваемые из растительных или животных материалов, производственных отходов и остатков жизнедеятельности организмов.
Рассмотрим плюсы и минусы использования данного вида горючего, узнаем о его производстве, характеристиках и эффективности работы различных его типов. Полученные сведения помогут определиться с выбором альтернативных источников энергии.
Что такое биологическое топливо
В энергетике самыми перспективными считаются технологии с использованием возобновляемых источников, одним из которых является биологическое топливо.
Для изготовления продукта применяют биомассу растительного или животного происхождения, такую как отходы индустриальных процессов и остатки жизнедеятельности животных.
Обработка этих веществ выполняется либо с помощью термохимического метода, либо с помощью биологического. В втором случае топливо получают благодаря разным видам микроорганизмов.
В некоторых государствах существуют программы, направленные на увеличение объёма биотоплива в потреблении энергии на местном и общенациональном уровнях. Некоторым странам также присвоены обязательные нормативы по использованию такого вида энергии.
Достоинства и недостатки биотоплива
Биологические виды горючего обладают как преимуществами, так и недостатками.
К ним относятся:
- Бюджетная стоимостьНесмотря на то, что цены на биотопливо в настоящее время почти равны стоимости бензина, биологические вещества считаются более выгодным видом топлива, так как при сжигании производят меньше выбросов. Биотопливо пригодно для применения в различных условиях и может быть адаптировано к двигателям разной конструкции. Дополнительным плюсом является оптимизация работы мотора, который из-за малого количества сажи и выхлопных газов остается чистым на более длительный срок.
- МобильностьБиологическое топливо отличается от других альтернативных источников энергии своей мобильностью. Солярные и ветряные установки обычно оснащены тяжелыми аккумуляторными батареями, поэтому чаще всего применяются стационарно, в то время как биогорючее можно легко транспортировать из одного региона в другой.
- Возобновляемый источник энергииИсследователи полагают, что существующих залежей сырой нефти хватит на несколько сотен лет, но запасы всё же конечны. Биотопливо, производящееся из растений и отходов жизнедеятельности животных, относится к возобновляемым ресурсам, которым в обозримом будущем не грозит исчезновение.
- Охрана атмосферы землиГлавный минус привычных нам углеводородов — высокий уровень выделения CO. 2Этот газ выделяют при сжигании, создавая в атмосфере планеты парниковый эффект и способствуя глобальному потеплению. При сгорании биологических веществ количество углекислого газа сокращается на 65%. Растения, используемые для производства биотоплива, поглощают оксид углерода, уменьшая его содержание в воздухе.
- Экономическая безопасностьНеравномерное распределение запасов углеводородов заставляет часть государств тратить большие средства на покупку нефти или природного газа, транспортировку и хранение. Различные виды биологического топлива можно получать практически в любой стране. Изготовление и переработка такого топлива создадут новые предприятия и рабочие места, что благоприятно повлияет на народное хозяйство и благосостояние людей.
Технологические прорывы и новые методы применения могут увеличить пользу биотоплива. Например, технологии, основанные на планктоне и водорослях, могут существенно понизить стоимость биотоплива.
В наше время выпуск биотоплива осложняется различными трудностями из-за ограничений роста растений.
Для выращивания культур, применяемых для получения биомассы, необходимо принимать во внимание множество факторов.
- ВодопользованиеРастения, возделываемые на полях, нуждаются в большом количестве воды, которая является дефицитным ресурсом, особенно в засушливых регионах.
- ИнвазивностьРастения, выращиваемые для получения топлива, могут быть слишком агрессивными. Благодаря этому они подавляют естественную растительность, что отрицательно сказывается на биоразнообразии и экосистеме местности.
- УдобренияМногим растениям для роста необходимы дополнительные подкормки, но эти вещества могут причинить ущерб другим растениям или окружающей среде.
- Климат. Некоторые климатические зоны, например пустыня и тундра, непригодны для возделывания биотопливных культур.
Активное выращивание сельскохозяйственных растений приводит к истощению земледельческих ресурсов. Несоблюдение правил агротехники может снизить содержание полезных компонентов почв, что в свою очередь вызовет их истощение и усугубит продовольственную проблему.
Экосистема страдает от нарушения. Производство биомассы часто требует увеличения площади земель, используемых для сельского хозяйства.
Для достижения этой цели часто производят очистку местности, в результате чего разрушается микроecosistema (например, лес), погибают растения и животные.
Выращивание одних и тех же культур приводит к проблемам. Для получения большего урожая биомассы производители часто засеивают землю одним видом растения. Такая практика негативно влияет на состояние земель, так как монокультура меняет окружающую среду.
На полях, засеянных одним видом растений, как правило, заводятся специальные виды вредителей. Борьба с ними с помощью инсектицидов и пестицидов вызывает привыкание этих вредителей к таким методам борьбы.
Чтобы предотвратить указанные трудности, учёные рекомендуют не игнорировать разнообразие культур, выращивая на одном поле несколько видов растений, и применять местные сорта растений.
Поколения альтернативного горючего
Разнообразное растительное сырье, применяемое для получения биомассы, систематизируют по поколениям.
Первое поколениеК этой группе относятся сельскохозяйственные растения с высоким содержанием крахмала, сахаров и жиров, такими как кукуруза, сахарная свекла, рапс и соя.
Ученые ищут замены для культур, которые вредят климату и влияют на цены на продукты.
Второе поколениеК биомассе относятся древесина, трава и сельскохозяйственные отходы (корка, шелуха). Из такого сырья производство биотоплива требует больших затрат, но позволяет утилизировать непищевые остатки и получать горючие материалы.
Культуры этой группы отличаются наличием лигнина и целлюлозы. В связи с этим из биологического сырья возможно получить топливо путём сжигания, газификации или пиролиза.
Би Biomass второго поколения не обладает высокой урожайностью на единицу площади, поэтому для её выращивания требуется много земли.
Третье поколениеДля изготовления биотоплива используют водоросли, культивируемые на больших площадях, таких как открытые водоемы.
Эта практика перспективна, но пока такие технологии разрабатывают. Ученые занимаются разработкой методик для получения биотоплива четвертого и даже пятого поколений.
Три разновидности биотоплива
Существует три основных типа биотоплива, которые зависят от агрегатного состояния вещества.
- ТвердоеДрова, торф, остатки деятельности животных и сельского хозяйства.
- ЖидкоеБиодизель, диметиловый эфир, биоэтанол, биобутанол.
- Газообразные: биогаз, метан, биоводород.
Каждому типу веществ свойственны особенности, которые будут рассмотрены далее.
Тип #1: твердое
Популярные виды твердого биотоплива — это древесина, торф и отходы животного происхождения.
Древесина (дрова, щепа, опилки)
Дрова — традиционное биотопливо, долгое время применяемое для обогрева жилищ и приготовления пищи. В настоящее время его активно используют во многих странах для выработки тепла и электроэнергии; пример тому — австрийская теплоэлектростанция мощностью 66 мегаватт, работающая на древесине.
Хотя такое сырье имеет свои преимущества, оно также обладает недостатками. Дрова обладают относительно небольшой энергетической ценностью: при сжигании часть вещества оседает в виде сажи, из-за чего камины и печи требуют регулярной очистки. Пополнение запасов древесины занимает определённое время — новые деревья вырастут лишь через 15-20 лет.
Хорошим заменителем привычных дров служат пеллеты (гранулы), изготавливаемые из низкосортной древесины: коры и щепы. прессованные опилки, сучья.
Для изготовления топливных пеллет сырьё превращают в пыль, сушат и прессуют при высоких температурах. Лигнин в древесине создаёт клейкую массу, из которой формируют небольшие цилиндрические формы длиной 5-70 мм и диаметром 6-10 мм.
Производство пеллет возможно организовать своими силами, соорудив пресс для топливных брикетов.
Древесная щепа — популярный вид биотоплива, часто используемый в энергетических целях на европейских теплоэлектроцентралях. Её получают на лесозаготовительных предприятиях или на специальных производственных линиях с помощью машин-шредеров.
Болотный и лесной топливный торф
Это популярный вид биотоплива, используемый в быту и на производствах на протяжении веков. Торф — это слои мха, не полностью разложившиеся в болотном массиве. Его добыча ведется во многих странах: России, Белоруссии, Канаде, Швеции, Индонезии и других.
В целях упрощения производственного процесса биомассу обычно перерабатывают непосредственно на месторождении.
Процесс включает очистку (просеивание) сырья от посторонних включений, а также сушку и формовку в виде брикетов или гранул.
Топливо из сельскохозяйственных отходов
В сельском хозяйстве обычно образуется много разного растительного сырья: поверхности растений, скорлупы орехов, соломы.
Подобное сырье поддается прессовке и гранулированию для получения топливных пеллет, свойства которых почти идентичны характеристикам гранул, сделанных из древесной биомассы.
Биотопливо животного происхождения
Вместе с дровами люди издревле использовали в качестве топлива кизяк – высушенный навоз домашних животных.
Из-за накопления отходов животноводства в промышленных масштабах топливо из таких отходов становится решением проблемы их утилизации.
Тип #2: жидкое
Безопасные и экологичные жидкие виды биотоплива чаще всего заменяют бензин и аналогичные продукты. К самым популярным вариантам относятся биоэтанол, биометанол, биобутанол, биодизель, диметиловый эфир.
Биоэтанол из растительных культур
Это распространенное жидкое биотопливо для автомобилей. Чистый состав не используется в качестве горючего, но добавка в бензин повышает работу двигателя, увеличивает его мощность, контролирует нагрев, снижает выбросы.
Любители каминов высоко оценили биоэтанол за его хорошие тепловые характеристики и отсутствие сажи и дыма при горении. Выделяемый углекислый газ минимален.
Благодаря этим свойствам топливо пригодно и для розжига очага в многоквартирных домах. этой статье.
Производство биоэтанола основано на использовании растительного сырья первого поколения, которое включает в себя продукты, богатые крахмалом или сахаром. Пшеница, кукуруза, сахарный тростник и свекла перерабатываются с применением технологии спиртового брожения.
Биобутанол для заправки автомобилей
Биобутанол — это биологически синтезированный аналог бутанола. Жидкость без цвета с отличительным запахом нашла широкое применение в промышленности как химическое сырьё и может служить альтернативным топливом.
Энергоемкость бутанола сопоставима с бензином, что дает возможность частично его заменять в топливных элементах. В отличие от биоэтанола, биобутанол можно использовать самостоятельно, без добавления привычных видов топлива.
Для изготовления биовещества используют разные растения: свеклу, маниоку, пшеницу и кукурузу.
Диметиловый эфир (C2H6O)
Это топливо также является экологически чистым. При сжигании из выхлопных газов исключены соединения серы, а количество соединений азота на 90% меньше, чем при горении бензина.
Диметиловый эфир не требует специальных фильтров при применении, однако в машину (систему питания, систему зажигания) необходимы существенные изменения.
В двигателях на сжиженном природном газе допускается использование топлива с добавлением 30% диметилового эфира без модификаций.
Жидкое топливо получают из разных источников: природного газа, угля, растительности и, главным образом, отходов целлюлозно-бумажной промышленности, которые превращаются в жидкое состояние под низким давлением.
Биометанол из одноклеточных водорослей
Это вещество похоже на метанॉल, который часто используют для создания разных химических веществ (уксусной кислоты, формальдегида) и как охлаждающую жидкость, а также растворитель.
В восьмидесятых годах возник вопрос о производстве этого вида биотоплива. Группа учёных предложила получать жидкое топливо посредством биохимической трансформации морского фитопланктона, культивируемого в искусственных водоемах.
Биометанол имеет ряд потенциальных преимуществ:
- высокую энергоотдачу — 14 при получении метана, 7 при выработке метанола;
- отличную продуктивность фитопланктона — до 100 тонн с гектара в год;
- нетребовательность одноклеточных организмовДля выращивания которым не требуется пресная вода и плодородная почва;
- сохранение земледельческих ресурсовВ связи с тем, что фитопланктон культивируется в прудах или морских заливох.
Несмотря на то, что производство биометанола пока не поставлено на поток, активно ведется работа над разработкой технологий для его промышленного изготовления.
Биодизель как альтернатива транспортному горючему
Это жидкое биотопливо для моторов, созданное на основе смеси эфиров жирных кислот. Оно безопасно для людей и животных, практически полностью разлагается в почве за 28 дней, а также обладает относительно высокой (меньше 100) температурой воспламенения.
Биодизель уменьшает количество выбросов вредных веществ и увеличивает срок службы двигателя благодаря содержащимся в нем смазывающим составляющим.
Биологическое вещество используется для заправки двигателей автомобилей как отдельно, так и вместе с обычным топливом. Важно помнить о небольшом сроке его хранения: через три месяца начинается разложение с полной потерей качеств.
Для биодизеля в странах Евросоюза принят стандарт EN14214. В некоторых государствах действуют и стандарты EN590, разрешающие до 5% биодизеля в другом топливе.
Тип #3: газообразное
К основным видам газообразного биологического топлива относят биогаз и биоводород.
Биогаз как замена природного газа
Биогаз — это почти полная копия природного газа, содержащего 13-50% CO. 2, 49-87% метана, а также примеси H2 и H2Извлечение углекислого газа позволит получить биометан из этого вещества.
Биотопливо в газообразной форме получают из биомассы путём брожения с использованием водорода или метана. Метановое брожение вызывает три вида микроорганизмов: сначала сырье обрабатывают гидролизными бактериями, затем кислотообразующими, а после – метанообразующими.
В качестве сырья возможно использовать силос, навоз, водоросли, сточные воды, помет, фекальные остатки и бытовые отходы. Исходное вещество доводят до гомогенного состояния, после чего погрузчиком загружают его в реактор.
Температура там +35-38°С, что необходимо для метанового брожения.
Сырье непрерывно смешивают, собирая газы в резервуар (газгольдер), откуда газ поступает в электрогенератор.
Более подробную информацию о производстве биогаза из навоза и установке биогазовых установок можно найти в статьях.
- Изготовление биотоплива из навоза в домашних условиях.
- Создание биогазовой установки для частного дома: советы по конструкции и пример реализации своими силами.
Биоводород, полученный химическим методом
Из биомассы получают вид газообразного биотоплива, подобный обычному водороду, при помощи биохимических или термохимических способов.
При термохимическом методе обработанное сырье (например, опилки) разогревают до 500—800°С в отсутствие кислорода, что приводит к выделению газов водорода. 2, CO, CH4.
При биохимическом методе сырье обрабатывают в благоприятных условиях при обычном давлении и температуре около 30 градусов Цельсия.
В биомассу вводят специфические микроорганизмы Enterobacter cloacae и Rodobacter speriodes для распада исходного продукта и выделения водорода. Для ускорения производства при использовании полисахаридов можно добавлять энзимы.
Выводы и полезное видео по теме
Видео демонстрирует процесс производства популярного вида биотоплива — древесных брикетов.
Виды биологического топлива отличаются как агрегатным состоянием, так и характеристиками.
При подборе таких материалов следует учитывать назначение, эффективность, функциональные качества и цену.
Есть ли опыт применения альтернативных видов топлива? Хотите задать вопросы о биотопливе? Оставляйте комментарии к публикации и присоединяйтесь к дискуссии. Форма обратной связи расположена ниже.