Общие вопросы биотоплива и биоэнергетические технологии

Биотопливо по механо-химическим характеристикам делится на:

• 1. Твердое биотопливо
• 2. Жидкое биотопливо
• 3. Газообразное биотопливо

по сырьевому происхождению биотопливо разделяют на:

биотопливо первого поколения (продукты сельскохозяйственного произ-водства: зерно, растительные масла, животный жир, лесная стволовая дре-весина).

Биотопливо второго поколения (органические отходы лесопромышленного комплекса и агропромышленного комплекса).

Это виды топлива, полученные различными методами термохимии и био-технологии из вторичной биомассы.

Биотопливо третьего поколения(морские и пресноводные водоросли).

Первичное и вторичное биотопливо.

Наиболее общее разграничение проводится между первичным (необработанным) и вторичным биотопливом (обработанным). Под первичным биотопливом FAO понимает «топливо, органический материал которого используется главным образом в своей природной форме (как он был заготовлен)». Образцами такого топлива являются: топливная древесина, древесная щепа, гранулы и т.д. Вторичное биотопливо подвергается трансформации перед использованием и может существовать в твердой (например, древесный уголь), жидкой (например, этанол, биодизель и биомасло) или газообразной (например, биогаз, син-тез газ и водород) форме. [1-7].

В настоящее время объемы потребления первичного биотоплива намного превышают объем потребления вторичного биотоплива. По оценкам IEA в мировом потреблении первичной энергии биомасса составляет около 10% (-1200 млн тонн нефтяного эквивалента) из них около 750 млн тонн ис-пользуется в виде дров для приготовления еды и обогрева. Тогда как бо-лее современные методы использования биомассы, включая жидкие био-топлива, сжигание биомассы на ТЭЦ и т.д., потребляют около 460 млн тонн.

Биотоплива 1-то, 2-то, 3-то и 4-то поколения.

Наиболее стройная система классификации вторичного биотоплива (по определению FAO) была предложена Biofuels Digest. В данной системе учитывается как конкуренция с производством продуктов питания, так и сокращение промежуточных этапов в производстве топлива. Система аналогична системе классификации в работе Dragone et al., 2010 за исключением 4-го поколения биотоплива отсутствующего у Dragone.(Таблица 1-

3) [1-8].

Первое поколение биотоплива.

Биотоплива произведенные путем переработки пищевых сельскохозяйственных растений в биодизель или этанол, используя трансэстерифи- кацию или брожение, или путем смешивания растительных масел с ископаемым топливом, или используя чистое растительное масло в качестве топлива.

Таблица 1-3.

Классификация биотоплив по системе dragone et al., 2010 Биотоплива[1-8].

Второе поколение.

Биотопливо, произведенное на землях непригодных для производства продуктов питания и с использованием непищевых культур, или про- изве-денное из остатков от производства продуктов питания. Включает в себя технологии производства этанола из целлюлозы, биотопливо из ятро- фы, Фишер-Тропш и другие способы газификации биомассы.

Третье поколение.

Биотопливо, произведенное на землях непригодных для сельского хозяйства с использованием интегрированных технологий, в ходе которых производится либо само биотопливо, либо предшественник биотоплива, но при этом требующее разрушения биомассы. Типичный пример технологии - это производство биотоплива с использованием микроводорослей накапливающих в себе липиды, но требующее разрушения клеток водорослей, затем экстракции липидов и их трансформации в биодизельное топливо.

Четвертое поколение.

Биотопливо, произведенное на землях непригодных для сельского хозяйства и не требующее разрушения биомассы. Примером такой технологии является производство алканов (основных компонентов моторного топлива) генетически модифицированными цианобактериями в ходе фотосинтеза из углекислого газа. При этом происходит секреция алканов с среду, а сами цианобактерии могут продолжать синтез.

Обычное биотопливо и Передовое биотопливо

Также могут использоваться другие системы классификации. International Energy Agency использует разделение на conventional (обычное) и advanced (передовое или продвинутое) биотопливо. Обычное биотопливо производится по существующим технологиям в промышленном масштабе (биоэтанол из кукурузы и сахарного тростника, биодизель и т.д.), продвинутое биотопливо включает в себя виды биотоплива находящиеся на ранней стадии развития такие, как этанол из целлюлозного сырья, «biomass-to- liquids (BTL) diesel», «bio-derived synthetic natural gas (bio-SNG)» и т.д. Нужно отметить, что это определение отличается от определения “Advanced Biofuels” принятого в американском законодательстве, где оно обозначает биотопливо приводящее к снижению выбросов парниковых газов более чем на 50% по сравнению с ископаемым топливом и включающего в себя этанол из сахарного тростника.

Поколении растительных биотоплив [1-9].

Технологии производства биотоплива, в отличие от других альтернативных технологий (использования энергии Солнца, ветра, приливов, геотермальных источников, водорода), могут давать дополнительный вы- йгрыш при эксплуатации биосферы, в том числе повышать эффективность сельского хозяйства и лесного комплекса. Биоэтанол производится из сахарного тростника, багассы, свеклы или отходов свекловичного производства- мелассы, кукурузы, пшеницы, картофеля, соломы, шелухи, опилок -из сырья, которое содержит крахмал или сахар. Биодизель - это мо- ноэифры жирных кислот - из органических отходов, в частности древесных, можно получать газ - синтез-газ методом пиролиза.

Биогаз можно получать путем метанового брожения куриного помета или навоза или других жидких отходов растительного и животного про- исхож-дения, осадков сточных вод, твердых бытовых отходов, побочный продукт этого процесса -удобрения. Из отходов лесопиления и деревообработки можно делать пеллеты (гранулы), которые используются в Герма- нии, Австрии и скандинавских странах для отопления домов. Выход тепла у них почти в два раза больше, чем у обычных дров.

Из этих технологий наибольшее распространение в мире получили био-этанол, биодизель и биогаз.

Рассмотрим две главные статьи расхода энергоресурсов: производство электроэнергии и транспорт. Возобновляемые ресурсы второго поколения: отходы лесопереработки (термохимия и биотехнологии), торф (только ежегодный прирост), навоз (через биогаз), солома (через газификацию), твердые бытовые отходы (биогаз и газификация) могут дать около

12.6 трлн. кВтч/год электроэнергии. Если к этому добавить потенциальный ре-сурс мискантуса (слоновьей травы (М18сащ1п18 giganteus), выращиваемого на площади 200 млн. га (около 20% мирового резерва пахотно пригодных земель, который сейчас по самой скромной оценке составляет 1 млрд, гек-тар), то можно получить в сумме приблизительно 29.4 трлн. кВт ч/год электроэнергии. Сейчас уровень потребления электроэнергии в мире приближается к отметке 56 трлн. кВт ч/год в том числе за счет сжигания ископаемого топлива примерно 4.8 млрд. ту.т. (37.5 трлн. кВт ч/год) образом, потенциал биоэнергоресурсов второго поколения позволяет сократить почти на 80% использование ископаемого топлива, а главное, полностью исключить сжигание нефтепродуктов для производства электроэнергии.

Как обстоят дела с транспортом? Сейчас мировое потребление нефтепродуктов на транспортные нуж-ды составляет около 4.1 млрд. ту.т. Если использовать ещё 40% мирового резерва земли для выращивания двух культур: топинамбура в качестве сырья для производства биоэтанола, и ятрофы (Мгорйа) - сырья для по-лучения биодизеля, то можно получить транспортное топливо эквива-лентом примерно 1.7 млрд. ту.т. сократив на 40% использование ископа-емых углеводородов на транспорт.

Потенциал биоэнергоресурсов второго поколения, наряду с решением важнейшей экологической проблемы, позволяет вернуться к производству продовольствия из кукурузы, пшеницы, сахарного тростника, сои, рапса и пр. Дополнительные возможности связаны с технологией биоконверсии отходов животноводства и растениеводства в биогаз, позволяющей, наряду с энергоносителем, получить еще один весьма важный продукт - высокоэффективное, экологически безопасное органическое удобрение. Это удобрение обеспечивает увеличение урожайности различных культур не менее чем в 2 раза, повышая при этом устойчивость растений к неблагоприятным воздействиям среды, особенно к засухе. Переработка одного только навоза, помимо 0.41 млрд. ту.т. электро-энергии, позволит получить 14 млрд, тонн этого ценнейшего удобрения. По самым скромным подсчетам применение удобрения увеличит производство продовольствия в мире на 50%.

Зачем нужны биотоплива? [1-10].

Одним из главных преимуществ производства биотоплив называют сокращение выбросов парниковых газов. Большинство исследований показывают, что биотоплива обеспечивают снижение выбросов моноксида углерода и углеводородов. Кроме того, биотоплива практически не содержат серы.