admin / 30.04.2019

Биотопливо

Содержание

Зачем это нужно

Старая пословица «пока гром не грянет, мужик не перекрестится» исчерпывающе описывает ситуацию с использованием ископаемых энергоресурсов нынешней цивилизацией. Добыча и переработка нефти обеспечивает сверхприбыли, отказываться от которых во имя туманных идей экологии и светлого будущего никто не спешит.

Автомобили так же, как и сто лет назад, жгут литрами бензин; ТЭЦ работают на мазуте; все перспективные разработки в области разработки альтернативных источников энергии скупаются крупными корпорациями и ложатся под сукно; проекты, которые не удается купить, всеми силами дискредитируются.

Однако не нужно быть семи пядей во лбу, чтобы понять, что нефтяное изобилие продлится недолго. Мировые запасы нефти закончатся в ближайшие полвека, и человечество столкнется с неизбежным энергетическим голодом.

Выходы из предсказуемого тупика очевидны:

  1. Использование для получения энергии восполнимых ресурсов — геотермальной энергии, солнца (см. солнечное отопление) и ветра. Идея хороша; но есть несколько «но».
    Энергетические установки всех соответствующих типов очень дороги; ветряки и гелиосистемы, кроме того, занимают огромные площади, а их эффективность непредсказуема — все определяется погодой.
    Кроме того, накопленную энергию трудно, условно говоря, взять с собой в дорогу: существующие аккумуляторы при разумной массе обеспечивают автомобилям слишком маленький пробег, несопоставимый с традиционными машинами на бензине.

Пейзаж, типичный для Германии, где государственная стратегия развития предусматривает использование энергии из экологически чистых источников.

  1. Поиск альтернативных источников высокопотенциальной энергии. Самым глобальным из доступных общественности является проект строящегося во Франции ИТЭР — экспериментального термоядерного реактора.
    Однако пока что термоядерная энергетика не может решить базовую проблему: расходы энергии на удержание плазмы в магнитной ловушке почти не уступают полезному выходу существующих прототипов реакторов.
    Открытия в области холодного термоядерного синтеза успешно закиданы банановой кожурой под взмахи дирижерской палочки нефтяных корпораций.
    Другие альтернативные источники энергии, периодически упоминающиеся в прессе, пока что далеки от практического воплощения — то ли из-за сознательной информационной блокады, то ли из-за инертности мышления государственных структур. Причем не только российских.
  2. Третий путь не означает никаких революций в технологии и, соответственно, в экономике. Автомобили по-прежнему используют дизеля и двигатели внутреннего сгорания; ТЭЦ так же коптят небо.
    Но в топках и цилиндрах горит топливо, воспроизводство которого занимает не миллионы лет, а считанные годы — продукты переработки растительного и животного сырья.

Грех спорить: жечь лес в топке — варварство. Хорошая новость — в том, что многие виды деревьев растут очень быстро.

Темпы внедрения

Какова динамика производства биотоплива? Как растет его потребление?

Мир

В 2007 году суммарный объем произведенного во всем мире жидкого биотоплива составил 54 миллиарда литров. Если оценивать литраж потребления, впрочем, цифры не выглядят столь уж внушительно: это всего 1,5 процента от общего потребления жидкого горючего всех типов.

Любопытно, что на тот момент большей частью произведенного биотоплива был этанол: 46 миллиардов литров. Крупнейшие производители — США и Бразилия. На их долю пришлось 95% мирового производства.

К 2010 году, однако, доля этих стран снизилась до 90%, а общее производство жидкого биотоплива выросло до 105 миллиардов литров. 86 из них — этиловый спирт, остальное — биодизель.

Европа ставит целью к 2020 году перевести на альтернативные источники энергии 10% транспорта. В Швеции существует три сотни заправок, где можно заправлять дизельные машины… сосновым маслом. 8 марта 2013 годы был выполнен первый трансатлантический авиарейс на биотопливе.

Россия

Приведем голые факты без какой-либо их оценки.

  • Экспорт Россией биотоплива (прежде всего соломы, жмыха и щепы) на 2010 год составил 2,7 миллиона тонн. При этом в стране потреблялось всего 20% от произведенного биотоплива всех типов.
  • К концу 2013 года в России планируется запустить 50 электростанций на биогазе. Суммарная мощность всех, однако, составит всего 120 мегаватт.
    Для сравнения — печально прославившаяся электростанция Фукусима в Японии на момент аварии имела суммарную мощность шести энергоблоков в 4,7 гигаватта.

Общую тенденцию показывает график. Собственно, у человечества просто нет альтернатив.

Методы производства

Давайте полюбопытствуем, как производятся наиболее популярные виды топлива из растительного сырья. Перечислить все применяющиеся технологии в рамках одной статьи нереально, поэтому затронем самых ходовые типы горючего.

Пеллеты

Так называются топливные гранулы из прессованных опилок, которые позволяют автоматизировать подачу топлива в котел и дают при сгорании несколько больше тепла по сравнению с дровами.

Их производство не требует сложного оборудования; однако строить мини-завод по их изготовлению своими руками явно не стоит. При устоявшемся уровне цен на пеллеты и на необработанную топливную древесину производство может окупить себя только при больших объемах.

Как работает установка по производству биотоплива этого типа?

  1. Бревно очищаются от коры на окорочном станке.
  2. Щепорубочная машина превращает их в мелкую щепу.
  3. Молотковая мельница превращает щепу в мельчайшие опилки.
  4. Опилки просеиваются, неразмолотая щепа удаляется.
  5. Барабанная сушилка удаляет из опилок лишнюю влагу.
  6. Наконец, пресс превращает их в гранулы.
  7. Физико-химические изменения, делающие гранулы прочными, происходят при их охлаждении. Негранулированные опилки отсеиваются и отправляются на повторную переработку.

Более популярно, однако, производство пеллет не по полному циклу, а из готовой щепы или опилок.

Отходы деревообработки — оптимальное сырье для производства пеллет.

Биодизель

Что это такое — мы уже упоминали в начале статьи. Как работает завод по производству биотоплива из обычного растительного масла?

Суть производства — в удалении из растительного жира молекул глицерина, придающего ему недопустимую в двигателях вязкость, и замещение его молекулами спирта. Правильное название этого процесса — этерификация.

Инструкция по изготовлению биодизеля примерно такова:

  1. Масло (льняное, подсолнечное, рапсовое — это безразлично) смешивается со спиртом (этиловым или метиловым) и катализатором — соответственно этиловым или метиловым эфиром. Смесь тщательно перемешивается.
  2. Отстоявшаяся смесь расслаивается. В верхней части емкости остается собственно биодизель — текучая жидкость цвета меда, снизу более вязкий и темный глицерин. Между ними — слой готового к применению жидкого мыла, которое тоже можно использовать.
  3. Последний этап — осушение (в растительном масле довольно велико содержание воды). Для этого в биодизель добавляется сульфат магния, поглощающий воду; затем он отфильтровывается обычным тонким механическим фильтром.

Цена получившегося продукта определяется, прежде всего, себестоимостью растительного сырья. Закупать растительное масло ради производства дизтоплива – идея, по меньшей мере, странная уже потому, что соляровое масло стоит куда дешевле.

Полезно: биодизель более химически агрессивен по сравнению с соляровым маслом. Он сокращает ресурс сальников, резиновых прокладок, довольно быстро забивает топливные фильтры и уже поэтому является источником энергии, скажем так, неоднозначным.

Схема производства биодизеля из рапса по полному циклу.

Биоэтанол

Оборудование для производства биотоплива этого типа представляет собой весьма производительный и эффективный… самогонный аппарат. Сама технология производства мало изменилась за последние десятилетия, разве что ассортимент сырья заметно расширился.

Знаменитый Остап Бендер говорил измученным сухим законом американцам, что гнать самогон можно даже из обыкновенной табуретки, и предлагал поделиться рецептом табуретовки.

Из чего производят этанол для технических нужд без малого век спустя после описанной в «Двенадцати стульях» эпопеи?

  • Большая часть биоэтанола производится, как уже говорилось, в Бразилии — из сахарного тростника и в США — из кукурузы. Очевидно, уроки Остапа запомнились и нашли применение в государственном масштабе.
  • Клубни маниока, растения, которое в больших количествах выращивают Китай, Тайланд и Нигерия — тоже очень перспективное сырье. Главное его достоинство — простота и технологичность производства, а раз так — то и дешевизна.
    Если верить Википедии, стоимость производства из маниоки спирта, соответствующего по топливной эффективности баррелю (159 литров) нефти — всего 35 долларов. Баррель сырой нефти на мировом рынке стоит примерно втрое дороже.

Производимый из этих клубней спирт намного дешевле сырой нефти

  • Наконец, целлюлоза, получаемая из опилок, соломы и прочих отходов древесно-растительного происхождения — источник биоэтанола почти неисчерпаемый.
    Однако из-за относительной сложности производства в настоящее время он считается экономически неоправданным.

Что же, подождем дальнейшего роста цен на нефть. Возможно, в обозримом будущем и правда представится возможность заправить машину табуретовкой…

Что с технологией производства биотоплива в домашних условиях?

Ну что вы, в самом деле, после указа 1985 года в нашей стране даже спрашивать про такое смешно…

  • Измельченное растительное сырье с добавкой дрожжей проходит процесс брожения, в результате чего получается брага с содержанием спирта не больше 15 процентов. При большей концентрации дрожжевые бактерии гибнут.
  • Отфильтрованная брага проходит ректификацию: нагревается в ограниченном объеме. При этом легкие фракции (прежде всего этанол) возгоняются первыми. Затем спиртовые пары конденсируются в непрерывно охлаждаемом змеевике (или аналогичном по функциональности устройстве).

При промышленных объемах вместо традиционных дрожжей применяются продукты биоинженерии — искусственные ферменты глюкамилаза или амилосубтин.

Технология со времен Остапа не изменилась.

Если вы обдумываете идею перевести свою машину на другой вид топлива — лучше учесть, что без адаптации серийный ДВС может гарантированно работать на спирто-бензиновой смеси, содержащей не больше 10 процентов спирта. Впрочем, встречаются свидетельства беспроблемной работы двигателей и при соотношении 40/60.

Возможно, дополнительную полезную информацию вы сможете извлечь из видео в конце статьи. Успехов!

a_forester

Как известно, процент древесных отходов на предприятиях лесопромышленного комплекса колеблется от 5 до 60 процентов в зависимости от типа производства. Часть отходов утилизируется на самих предприятиях, часть вывозится, продается в виде щепы или сырья на производства целлюлозно-бумажного или плитного комплекса. Однако зачастую на многих предприятиях остаются отходы, которые никак не утилизируются и в конечном итоге приносят немало проблем.
Именно об этой части отходов, которые доставляют пока больше головной боли, чем денег, и пойдет речь. Теоретически, древесные отходы и в целом биомасса могли бы стать такой же золотоносной жилой российской экономики, как сегодняшняя нефть. Россия, обладая четвертью мировых лесных запасов, имеет огромный биотопливный потенциал. Ежегодно на территории нашей страны продуцируется до 14-15 млрд. тонн биомассы, энергия которой эквивалентна примерно 8 млрд. тонн условного топлива.
В зависимости от вида биомассы возможно применять различные технологии ее использования. Из древесины и отходов лесопромышленного комплекса можно получать как твердое, так газообразное и жидкое биотопливо.
В качестве примера можно привести Бразилию, где производимый из кукурузы и сахарного тростника этанол уже является серьезным конкурентом традиционному горючему. В Великобритании одним из самых популярных возобновляемых источников энергии стало топливо из растительного масла. Свыше половины автопарка многих высших французских чиновников переделано под работу на дизельном топливе, полученном из рапсового масла. К 2010 году Франция планирует стать крупным поставщиком такого топлива, доведя его потребление в стране до 7% от общего объема горючего. На Филиппинах производят топливо из скорлупы кокосового ореха по технологии, запатентованной украинским инженером Евгением Сухиным. В Таиланде в качестве заменителя дизельного топлива выступает пальмовое масло.
Однако все эти технологии объединяет одно – этанол производится из продуктов пищевого назначения и их отходов. В условиях угрозы мирового продовольственного кризиса такая стратегия для России неприемлема, поскольку приводит к еще большему нарастанию дефицита продовольствия и нерациональному использованию сельскохозяйственных угодий.
Стремительный рост автомобильного парка, высокие цены и дефицит нефти, ухудшение экологического состояния окружающей среды, привели мировое сообщество к осознанию необходимости поиска и разработки альтернативных видов моторного топлива. При этом большое внимание уделяется возобновляемым источникам энергии, получаемым из растительного сырья: биогазу, биоэтанолу, биобутанолу, биодизельному топливу. Особый интерес в мире наблюдается к биоэтанолу. Сейчас большинство стран мира решают проблему получения моторного топлива из возобновляемого сырья.
Технология производства биотоплива (биоэтанола) из отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности была положена в основу проекта по созданию биотехнологического кластера Кировской области.
Кировский «БиоХимЗавод» — это единственное предприятие мире, производящее топливной этанол из непищевого сырья, пеллеты и другие товары из древесного сырья. «Наша промышленная установка по производству топливного этанола в основном из древесных отходов с использованием термофильных бактерий была разработана совместно с Санкт-Петербургским «НИИГИДРОЛИЗ», шведской компанией «Техноферм» и НПФ «БИОТИН», — рассказал гендиректор. По его словам, для внедрения этих новых разработок на заводе была проведена реконструкция в 2008 г., которая обошлась предприятию в 60 млн рублей.
В настоящее время завод готов приступить к промышленному выпуску топливного этанола в качестве добавки к моторному топливу с предполагаемым годовым объемом производства около 4-х млн декалитров.
Кировская биотехнология уникальна тем, что в качестве исходной биомассы используются опилки и другие отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности. Таким образом, продовольственный сектор экономики не затрагивается. Важным фактором низкой себестоимости Кировского этанола станет отсутствие необходимости транспортировки биомассы из других регионов.
Производство биоэтанола имеет огромный экономический потенциал и может стать одним из локомотивов экономики России. В условиях сокращающихся запасов углеводородов, повышения стоимости нефтеразведки и нефтедобычи, производство и использование биоэтанола повысит надежность общенациональной системы обеспечения топливом.
С позиций, предъявляемых к автомобильному топливу, этанол имеет ряд важных преимуществ перед бензином. Наличие кислорода в этаноле способствует более полному сгоранию и, следовательно, меньшему содержанию токсичных примесей в отработанных газах. Исследования, проведенные зарубежными учеными по испытаниям топлива – смеси бензина с этанолом наглядно это подтверждают. Таким образом, при использовании биоэтанола в качестве моторного топлива не происходит накопление углекислого газа в атмосфере, приводящее к «парниковому эффекту». Выделяемый при сжигании биоэтанола углекислый газ имеет первичное атмосферное происхождение. Его могут опять ассимилировать растения, следовательно не нарушается природный баланс круговорота СО2.
Снижение выбросов СО2 в атмосферу от автомобильного транспорта благоприятно скажется на выполнении Россией требований Киотского протокола и создаст дополнительные резервные условия для развития промышленности.
Испытание биотоплива. Пробег Киров — Москва.
ИсточникМетки: Биотопливо, Полная переработка, Топливный этанол, Транспорт

Что такое биодизель?

На первый взгляд, слово это вполне понятно, однако нельзя не обойтись без уточнения. Биодизелем называется метиловый эфир, который образуется в результате определённых химических реакций. В качестве источника используются растительные масла, а также животные жиры.

Нельзя не отметить того факта, что биодизель является экологически чистым топливом, так как он полностью распадается в течение месяца.

Использование устройства

Не менее интересной темой является и применение биодизеля. Следует отметить, что существует довольно большое количество способов использования этого топлива. Наиболее распространёнными из них являются:

  • Замещение бензина. У такого метода использования этого топлива имеются существенные недостатки, которые связаны с тем, что оно обладает повышенной вязкостью, а это способно привести к появлению всевозможных отложений на кольцах, форсунках и поршнях. Кроме того, топливо не будет полностью сгорать.
  • Смесь с дизельным топливом или керосином. Это направление использования биодизеля в смеси является одним из самых перспективных. Особенно активно используют такой вид топлива в США.

Как осуществляется производство биодизеля?

В качестве сырья могут быть успешно использованы самые разные растительные культуры, позволяющие получить большое количество растительного масла. Среди наиболее популярных видов сырья следует отметить рапс и сою. Именно из этих растительных культур чаще всего производится биодизель.

Ещё одним неплохим сырьём являются животные жиры, которые чаще всего образуются как побочный продукт на всевозможных мясоперерабатывающих предприятиях.

Технология производства биодизеля как в случае с растительными культурами, так и в случае с использованием животных жиров для этих целей, довольно проста. В этой технологии можно выделить следующие этапы:

  • Очистка сырья, при этом нельзя допускать наличия даже мельчайших примесей.
  • Смесь двух компонентов: масла и метилового спирта (9 к 1), а также добавление в полученную смесь щелочного катализатора.
  • Выполняется этерификация, то есть нагрев полученной смеси до температуры 60 С. В таком состоянии смесь должна находиться в течение 2 часов.
  • Полученное вещество после процесса этерификации, разделяется на два компонента: биодизель и глицериновую фракцию.
  • Прохождение биодизелем термической обработки, задачей которой является выпаривание воды.

Используемое оборудование для производства биодизеля не отличается большой сложностью. В большинстве случаев используется некоторое количество ёмкостей, которые соединены между собой специальными трубами, а также несколько насосов, среди которых выделяется один главный, а все остальные являются дозирующими.

Если производство биодизеля выполняется на специальных предприятиях, то всем процессом руководит автоматика, а на ёмкостях установлены специальные датчики температуры.

Производство биодизеля своими руками

Биодизель в домашних условиях сделать вполне реально и даже несложно, однако у этого мероприятия есть своя экономическая подоплёка. Одной из самых главных задач в этом случае будет поиск необходимого количества сырья. Если вы являетесь фермером, который выращивает рапс, тогда у вас, скорее всего, не возникнет с этим никаких проблем. Однако если у вас нет источников дешёвого сырья, для того чтобы создавать биодизель и увеличивать его производство, процесс может быть невыгодным с экономической точки зрения.

Для изготовления биодизеля необходимо растительное масло (рапсовое, соевое, подсолнечное и т. д.), а также метанол. Что касается метанола, то здесь очень большое значение имеет его чистота, так как необходимо использовать только чистый метанол. Ещё одним необходимым компонентом является катализтор, в качестве которого вполне можно использовать обыкновенную соду.

Важно учитывать тот момент, что при производстве биодизеля в домашних условиях довольно сложно получить действительно чистое топливо, так как при получении его в заводских условиях используются фильтры, которые позволяют задерживать лишние примеси в топливе размерами в 20% от толщины человеческого волоса. Именно такая установка по производству биодизеля вряд ли может быть создана в домашних условиях. Однако получить биодизель, который можно смело использовать для отопительных установок в доме, вполне реально.

Что касается оборудования для производства биодизеля из рапса или других растительных культур, то легче всего просто его приобрести, чем делать самостоятельно. Стоимость такого оборудования находится в районе 10 тысяч рублей, что, согласитесь, не так и дорого.

Осуществить изготовление биодизеля в домашних условиях можно следующим образом:

  • Берём растительное масло и нагреваем его, при этом температура не должно быть больше 60 С, идеальной температурой является 55–58 С.
  • Растворяем соду в метаноле, после чего добавляем образовавшуюся смесь в нагретое растительное масло.
  • Поддерживаем температуру масла на текущем уровне в течение 40 минут, не забывая при этом помешивать субстанцию.
  • Даём биотопливу отстояться, через некоторое время глицерин осядет, после чего можно будет выполнить его слив.

Важной особенностью использования специального оборудования является то, что все используемые компоненты в нём смешиваются в нужной пропорции.

В том же случае, если вы не будете использовать специальное оборудование, необходимо учитывать следующие пропорции: на 0,98 кг используемого масла следует брать 0,125 кг метанола, 0,024 кг соды, которую нужно растворить в метаноле. Из этой смеси должно получиться примерно 1 кг топлива и 0,12 кг глицерина.

Таким вот образом можно изготовить биодизель в домашних условиях. Как видите, ничего особенно сложного в этом нет.

Как производится дизельное биотопливо?

Сырьем для этого вида топлива могут служить любые культуры, из которых получают большое количество растительного масла. Чаще всего это рапс и соя, их переработка дает максимальный выход сырья и, соответственно, конечного продукта в виде биодизеля.

В дело идут и животные жиры, являющиеся отходами мясокомбинатов, кожевенных заводов и других предприятий. Также годятся перегоревшие растительные масла из ресторанов и прочих заведений общественного питания.

Следует отметить, что биодизель из масла растительного и животного происхождения производится по относительно простой технологии. Основные этапы технологического процесса выглядят следующим образом:

  • грубая и тонкая очистка сырья (масла) от мельчайших примесей;
  • смешивание масла и метилового спирта с добавлением щелочного катализатора в реакторе. Пропорции сырья и метанола – 9 : 1, катализатором служит гидроксид натрия или калия;
  • нагрев до 60 °С и перемешивание при этой температуре в течении примерно 2 часов. Этап носит название этерификации;
  • полученная субстанция отстаивается в отдельной емкости и расслаивается на 2 вещества – глицериновая фракция и собственно биодизель;
  • вещества разделяются в сепараторе, после чего горючее проходит термическую обработку с целью выпаривания из него воды.

Примечание. Глицериновая фаза – это еще не чистый глицерин, для его выделения субстанцию надо дополнительно переработать. Так что схема полного цикла выглядит куда сложнее:

Технологическое оборудование для производства биодизеля тоже не отличается высокой сложностью и представляет собой несколько емкостей, соединенных между собой трубопроводами, а также насосы – главный и несколько дозирующих. Поскольку на предприятиях все этапы автоматизированы, то реактор и другие резервуары оборудованы датчиками температуры и уровня, а насосами управляет контроллер. Все данные о протекающем процессе выводятся на дисплей оператора.

Производство в домашних условиях

Первая и одна из главных проблем – где взять достаточное количество сырья. Хорошо, если вы фермер и выращиваете рапс либо являетесь владельцем ресторана, где остаются отходы растительных жиров. Если же доступа к источнику недорогого сырья у вас нет, то и делать биодизель своими руками вы не сможете. Покупать масла будет нерентабельно, особенно учитывая проблему вторую – качество топлива.

Чтобы смело использовать в любых автомобилях или отопительных котлах произведенный в домашних условиях биодизель, надо обеспечить качество продукта. Иначе вы столкнетесь с бесконечными ремонтами и очистками ваших двигателей и форсунок котлов. А для этого технология должна быть организована и выверена на высоком, а не кустарном уровне. В свою очередь, это приведет к тем же затратам, чья окупаемость – под вопросом.

С низким качеством биодизеля могут на долгое время примириться старые автомобили и трактора с неприхотливыми двигателями и топливными системами. То же касается отопительных капельных печей и котлов с горелкой Баббингтона, нетребовательных к качеству горючего. На этот случай подойдет простейшая установка для производства биодизеля, при других раскладах технологию придется усложнить. Итак, для сборки установки потребуется:

  • 3 емкости из пластика, 2 из них большие и одна поменьше;
  • 5 шаровых кранов;
  • трубы и фитинги (тройники, колена);
  • электрический ТЭН с терморегулятором;
  • насос.

Чтобы освоить производство биодизеля в домашних условиях, надо установить емкости на металлические подставки горловиной вниз, а сверху проделать закрывающиеся отверстия для заливки компонентов. Можно использовать и металлические бочки или самодельные баки из стальных труб большого диаметра. Внизу каждого сосуда надо приделать штуцер, а к нему прикрутить кран, после чего соединить все элементы между собой трубами, как показано на рисунке:

Средняя емкость будет служить реактором, куда необходимо встроить ТЭН. В другой большой бак заливается масло, а в малый – метиловый спирт. Предварительно к метанолу добавляется каустическая сода, играющая роль катализатора. Открыв краны таким образом, чтобы вещества из вспомогательных емкостей попадали в реактор, включается насос и ТЭН, чей термостат настроен на температуру 60 °С.

В видеоролике ведущий программы Top Gear Джереми Кларксон рассказывает и показывает, как сделать биодизель в домашних условиях:

О плюсах и минусах биодизеля

Основная масса достоинств этого вида горючего относится к снижению выбросов в окружающую среду. Если смотреть на вопрос глобально, то количество углекислого газа, образовавшегося при сгорании топлива, теоретически равняется тому объему, что потребили из воздуха масличные культуры. Можно считать, что выдерживается баланс, но только при сжигании биодизеля в котлах, их КПД довольно высок. А вот эффективность ДВС – всего 60%, там помимо углекислого образуется и угарный газ, загрязняющий атмосферу.

В составе топлива очень мало серы, из-за чего использование биодизеля наносит куда меньший вред окружающей среде. При попадании в воду горючее не загрязняет ее, а постепенно разлагается микроорганизмами. Ну и двигатель на растительной солярке работает лучше, ибо его цетановое число (51) выше, чем нефтяного топлива (42—45). Из минусов стоит отметить:

  • более высокую стоимость по сравнению с традиционным горючим;
  • невозможность длительного хранения, спустя 3 месяца начинается процесс его разложения;
  • большие посевные площади для выращивания сырья.

При производстве своими руками образуются технологические отходы биодизеля в виде глицериновой фазы, которые невозможно переработать в домашних условиях. Да и само топливо, добытое дома, не сравнится по качеству с заводским и может создать много проблем во время эксплуатации ДВС. Поэтому умельцам, занимающимся этим делом, можно посоветовать как можно тщательнее фильтровать масло перед загрузкой в бак, это касается и конечного продукта.

Как выяснилось, изготовление биодизеля не такое уж и простое дело, как может показаться. Особенно если ориентироваться на советы, взятые из интернета. Это вовсе не значит, что домашнее производство горючего невозможно, просто оно потребует значительных вложений и усилий.

Биотопливо — доступный и неисчерпаемый ресурс

Биотопливо — это используемые для получения тепловой энергии вещества биологического или животного происхождения.

Для производства биотоплива подходят как возобновляемые природные ресурсы, так и отходы, образующиеся в результате деятельности деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности и потребления человека.

В зависимости от целей и предназначения, биотопливо имеет различные агрегатные состояния: твёрдое, жидкое и газообразное.

Твёрдое

Твёрдое биотопливо на сегодняшний день держит пальму первенства как самый популярный вид альтернативного топлива.

Сырьём для производства твёрдого биотоплива служит биомасса, образующаяся из растительных остатков, стеблей и семян кукурузы, рапса, из соломы, опилок, щепы, хвои, листьев, а также сучки, ветки, кора, обрезки досок, бракованные части из дерева, навоз, торф и т. д. Биомассу прессуют в топливные гранулы (пеллеты) или брикетируют.

Энергетические леса, в состав которых входят быстрорастущие деревья и кустарниковые группы растений, позволяют поддерживать сырьевой баланс, обеспечивая производство биотоплива необходимым объёмом материала.

Быстрорастущие деревья сажают для использования их впоследствии в качестве сырья для производства биотоплива

Жидкое

В состав жидкого биотоплива входят спирты, эфиры, масла. Сырьём выступает та же биомасса, состоящая из растительных остатков, стеблей и семян кукурузы, рапса, сахарной свёклы и тростника, пшеницы, а также жмыха, выжимки, патоки и т.д.

Образование топлива происходит в результате спиртового брожения биологической массы с высоким содержанием крахмала и/или сахара, а также гидролизе. Образующийся в результате брожения раствор после очистки и дистилляции преобразуется в биоэтанол, биобутанол, биометанол, биодизель.

Простейшее устройство для анаэробного брожения

Газообразное

Газообразное биотопливо или биогаз образуется в результате анаэробного брожения (перепревания) органических веществ. Для производства биогаза используют метанообразующие, гидролизные или кислотообразующие бактерий.

Размещение экологически чистого производства

Наряду с общепринятой, используется и альтернативная классификация биотоплива по поколениям:

  • к первому поколению относится биотопливо, производимое из биологического сырья посредством брожения;
  • биотопливо второго поколения получают из неопасных отходов производства и потребления;
  • к третьему поколению относится производство биотоплива из растительных жиров, содержащихся в водорослях.

Плюсы и минусы использования самодельного биотоплива

Большинство видов биологического топлива производится промышленным способом с использованием специального оборудования. Естественно, что попытка применить данные технологии жителю частного домовладения или начинающему фермеру может оказаться не под силу. При использовании других, на первый взгляд, более технически простых способов получения топлива из биоматериалов, возникают трудности с обеспечением пожарной безопасности, защиты от отравления ядовитыми, легковоспламеняющимися веществами при работе с сырьём для биотоплива. По этой причине жителям села, фермерам, дачникам начинать свою новаторскую деятельность желательно не с холодного ядерного синтеза, а с чего-то попроще. Например, уже есть рабочие модели получения биогаза, древесного угля, брикетирования отходов и опилок для каминов и биокаминов, работы двигателей внутреннего сгорания на древесном газе.

Самостоятельное производство и использование биотоплива имеет смысл при доступной дешёвой сырьевой базе, обладающей энергетической ценностью, но находящейся состоянии, непригодном для использования без предварительной переработки или подготовки. Если посмотреть на этот вопрос шире, то к данному типу можно отнести воду, опилки, силос, льяльные воды и т. д., которые, с одной стороны, обладают энергетической ценностью, но с другой — высвободить тепловую энергию при отсутствии специального оборудования затруднительно.

Преимущества

К очевидным положительным сторонам производства и использования самодельного биологического топлива с позиции частного лица относятся:

  • доступность сырья
  • дешевизна
  • простота изготовления.

У некоторых видов биотоплива (биодизель, биогаз) присутствуют схожие с аналогичными промышленными образцами показатели удельной теплоёмкости, температуры сгорания, антидетонационные свойства, экологичность. Для жителя сельской местности, держащего хозяйство, фермера, плотника или столяра раздобыть опилки, силос, навоз намного проще и дешевле чем бензин, дизельное топливо, уголь или дрова. В большинстве случаев народные умельцы используют уже опробованные и достаточно безопасные технологии.

Недостатки

Использование биотоплива обладает следующими недостатками:

  • некоторые минусы связаны непосредственно с производством самодельных видов биотоплива: отсутствие автоматических систем контроля за давлением и температурой предъявляет повышенные требования к используемому оборудованию и его установке
  • само оборудование для производства биологического топлива не сертифицировано, изготавливается, как правило, кустарным способом местным «левшой»
  • некоторые получаемые вещества (биометан, угарный газ) являются ядовитыми
  • топливо обладает низкой плотностью, концентрацией, а потому подлежит немедленному использованию, так как по прошествии времени расслаивается и впитывает влагу, превращаясь в эмульсию.

Способы производства биотоплива для частного подворья и домашних нужд своими руками

Собственник частного домовладения, фермер, крестьянин могут для своих нужд самостоятельно изготовить такие виды биотоплива, как пеллеты (спрессованные опилки, отходы, силос, торф), древесный уголь (дрова, опилки), биогаз (навоз, птичий помёт, солома), топливо для биокаминов, биоэтанол (листва кукурузы, сахарная свёкла, патока, жмых, выжимки, макуха, сусло).

Древесный уголь

Промышленный вариант фасованного в мешки древесного угля

К сожалению, спрос на древесный уголь в значительной степени взвинтил на него цены. Однако технология его получения крайне проста и не требует финансовых затрат — только время и желание.

В качестве сырья для получения древесного угля используются дрова или опилки.

Материал для получения древесного угля

Древесный уголь получается при воздействии высокой температурой на древесное сырьё. Выделяют несколько способов и подвидов получения угля.

Получение древесного угля в закрытой ёмкости

В зависимости от потребностей, в древесном угле подбирается соответствующего объёма ёмкость. Это может быть металлический короб или бочка. Используемая ёмкость должна быть толстостенной, чтобы выдержать внутреннее давление, и нейтральной, то есть не использовавшейся для хранения химических веществ. Если ёмкость использовалась для хранения бензина или дизельного топлива (нефтепродуктов), её необходимо прожечь на огне.

Выбранную ёмкость заполняют опилками, древесными отходами или просто дровами. Затем ёмкость плотно закупоривают, обмазывая щели глиной. Крышка ёмкости должна быть снабжена газоотводной трубкой небольшого диаметра или просто отверстием.

Ёмкость или бочка подвешивается или устанавливается на подставку, за неимением которой можно использовать подручные строительные материалы (кирпичи, шлакоблоки). Основная задача — освобождение под ёмкостью достаточного места для разведения открытого огня. Его температуры должно быть достаточно для нагревания находящейся внутри бочки древесины до 300–350 градусов Цельсия.

При длительном нагревании ёмкости через газоотводную трубку (а также из всех щелей) происходит выделение сначала влаги, а затем угарного газа, который ядовит и огнеопасен. Об этом необходимо помнить и соблюдать меры предосторожности. Ориентировочный цвет угарного газа — сизый. Через некоторое время при поддержании высокой температуры выход древесного газа прекратится. Это является сигналом того, что процесс производства древесного угля подходит к своему завершению. После прекращения выхода газа снимаем ёмкость с огня или просто гасим костёр и затыкаем чем-либо газоотводную трубку или отверстие.

Даём древесному углю остыть, открываем крышку и:

а) Радуемся результатам своего новаторского труда;

б) Клянём себя за то, что не обеспечили нормальную температуру прожига, поленились собрать достаточно дров для костра и в результате получили не прожаренные дрова или «сырой» древесный уголь.

Для лучшего понимания длительности процесса — сориентирую: на получение древесного угля из сырья в 20- или 30-литровой ёмкости понадобится 2–3 часа!

Для обладателей печей получение древесного угля упрощается в несколько раз! Достаточно только выхватывать из горящей печи прогоревшие «головешки» алого цвета и помещать их в закрывающуюся плотно ёмкость. После полного остывания их можно использовать.

Получение угля в яме

Демонстрация изготовления древесного угля в бочке для личных нужд

Способ получения древесного угля в яме очень древний и поэтому, возможно, подзабытый.

Сначала подготавливаем дрова (они должны быть сухими), освобождаем их от коры и разрезаем на удобные куски до 25–30 см.

Затем в земле выкапывается небольшая яма цилиндрической формы. Приблизительный размер ямы: глубина — два штыка лопаты, диаметр — до одного метра. Выровняйте стенки, делая их строго вертикальными. Дно ямы плотно утрамбуйте.

На дне разведите костёр, постепенно увеличивая его до тех пор, пока горящими углями и дровами не будет заполнено дно ямы. На хорошо разгоревшийся костёр плотным слоем выложите приготовленные дрова. Не давая пламени вырваться наружу, но и не подавляя огонь, постепенно на прогоревшие дрова подкладываем новые до заполнения ямы. С последней партией древесины, покрывающей яму на уровне поверхности земли, подкладывать дрова прекращаем. Расшевеливаем костёр длинным шестом (чтобы не обжечься и достать до дна ямы), сверху обкладываем его сначала травой, зеленью, потом присыпаем землёй, ограничивая доступ кислорода, тем самым останавливая окислительные процессы. Раскапывать яму и выбирать угли можно на третий день.

В другом похожем способе используется металлическая бочка больших размеров, на дне которой также разводится сильный огонь. Сверху костра на подставки из кирпичей послойно выкладываются дрова, чтобы между углями и свежими дровами было свободное пространство. При образовании достаточного количества углей на них накладывается плотный слой древесины. Когда на поверхности, полностью заполненной дровами бочки, покажутся языки пламени, необходимо прикрыть бочку крышкой или другой огнеупорной поверхностью, оставляя небольшую щель для выхода древесного газа. Для ускорения окислительных процессов можно использовать пылесос, подавая воздух в нижнюю часть бочки через специально для этого проделанное отверстие. В любом случае, планируя это мероприятие, готовьтесь уделить делу не менее 4–5 часов, включая подготовку.

Готовый древесный уголь можно извлекать из бочки после полного остывания.

Универсальный (гибридный) способ

Существует довольно оригинальный способ получения древесного угля, основанный на использовании закрытой ёмкости и обладающий ещё одним преимуществом, повышающим коэффициент полезного действия этого способа втрое. Идея заключается в том, что закрытую ёмкость нагревают на костре для получения угарного газа, который через газовую установку поступает в цилиндры двигателя внутреннего, внешнего сгорания или отопительный котёл. Работающий на угарном газе двигатель внутреннего сгорания выводит излишки тепловой энергии через выхлопную трубу в закрытую ёмкость с дровами или опилками, тем самым разогревая и способствуя дальнейшей его выработке.

Практическое применение технологии выработки биогаза и древесного угля для заправки автотранспорта

Когда угарный газ заканчивается, ёмкость открывается, заполняется новой порцией биомассы, а извлечённый из неё древесный уголь используется по назначению.

Пеллеты и брикеты

Мнения о целесообразности производства пеллетов в домашнем хозяйстве разделились — некоторые считают, что это технологически сложно, энергоёмко и поэтому не оправдано. Основная трудность заключается в приобретении, изготовлении специального дорогостоящего оборудования, связанного с гранулированием отходов, а также высокими энергетическими затратами.

Другие считают, что ничего сложного в изготовлении оборудования нет. Для производства понадобятся: дробилка, сито, сушилка, гранулятор.

Технология производства гранул из отходов выглядит следующим образом:

  1. Готовится сырьё. Для этого перемешивают опилки с растительными остатками, ветками деревьев и т. д.
  2. Биологическое сырьё поступает в дробильное оборудование, функции которого может исполнять оборудованный лепестковыми фрезами режущий вал, установленный на циркулярную пилу.
  3. После измельчения сырьё попадает на сито, где происходит разделение мелких и крупных фракций. Мелкие фракции поступают в сушилку. Высушенный материал подаётся на гранулятор, который даже защитники теории производства пеллетов признают сложным в изготовлении устройством. Попадая в гранулятор, сырьё впрессовывается в маленькие формы и выпадает в подставленную ёмкость.

Самый сложный агрегат для производства пеллетов — гранулятор

Брикеты

Для производства брикетов понадобится биологическое сырьё (опилки, солома, бумага, картон, силос, торф), а также ручной пресс.

Биологическое сырьё измельчают, размачивают водой, добавляют глину до связывающей консистенции. Доля глины к сырью составляет 10% от первичной биомассы. При несоблюдении правильного соотношения глины к биомассе, брикет не будет держать форм, а при злоупотреблении глиной повысится зольность биотоплива при сгорании. Приготовленной биосмесью наполняют форму, помещают под пресс. Прессованный брикет достаётся из-под пресса, освобождается из формы и отправляется на просушку. Для просушки могут использоваться как естественные источники (солнце), так и специально оборудованные сушилки с искусственной подачей горячего воздуха. После просушки брикет готов к использованию.

Дробление отходов древесины для производства брикетов и пеллетов

Видео: Установка для получения биогаза

Получение биоэтанола в домашних условиях

Для изготовления этого вида биотоплива нам понадобятся знания и практический опыт, применяемые при самогоноварении.

Сначала нужно приготовить «брагу». Берём биомассу, состоящую из растительных остатков, стеблей и семян кукурузы, сахарной свёклы, пшеница, жмыха, выжимки винограда, патоки. Помещаем в бочку или бутыль. Заливаем тёплой водой (можно добавить сахара), то есть создаём условия для брожения. Перебродившую жидкость (брагу) необходимо очистить и с помощью перегонного куба продистилировать. Таким образом, образовавшийся в результате брожения 8% этиловый спирт преобразуется после перегонки в 80–90%.

Считается, что этиловый спирт является альтернативой бензину. Советуем его всё-таки использовать как присадку, чтобы не «угробить» двигатель. Более безопасно его применение в биокаминах, керосиновых лампах, примусах.

Схема производства биоэтанола, дающая общее представление о технологии производства жидкого топлива

Расчёт выхода этилового спирта с 10 кг сырья

Вид сырья Выход этанола Вид сырья Выход этанола Вид сырья Выход этанола
Сахар 6,1 л Ячмень, просо 3 л Сахарная свёкла 0,9 л
Крахмал 6,3 л Сухари 2,7 — 3,1 л Полусахарная свёкла 0,6 л
Рис 4,6 л Каштаны 2,9 л Кормовая свёкла 0,5 л
Кукуруза 3,6 л Жёлуди 2,6 л Одуванчик 0,9 л
Пшеница 3,3 л Картофель (среднекрахмальный) 1, 1 л Топинамбур (земляная груша) 0,9 л
Рожь 3,1л Цикорий 1, 1 л Фрукты 0,4–0,9 л

Биогаз из навоза и отходов

Формулировку «биогаз» используют для обозначения образующейся при перепревании органических веществ, происходящем без доступа кислорода, смеси газов. Составляют основу биогаза метан и углекислый газ, в меньшей степени сероводород и некоторые другие газы. Удельная часть метана, содержащегося в составе биогаза, определяет его энергетическую ценность.

Сырьём для получения газообразного биотоплива могут быть трава, различные отходы, ботва культурных растений или навоз.

Биогазовая установка привлекает простотой сооружения и обслуживания, продолжительностью протекания химической реакции, получением дешёвого газа и состоит из ёмкости (ферментатора), в которую загружается перемешанное биологическое сырьё, накопителя, системы обогрева ферментатора, перемешивателя.

Для сооружения установки для выработки биогаза необходимо оборудовать больших размеров герметичную ёмкость. Обычно это выложенная бетонными кругами или кирпичом яма. Требования к герметичности и температурному режиму являются ключевыми, определяющими целесообразность дальнейшего построения установки. Сверху ёмкость накрывается металлическим куполом, оборудованным газоотводной трубкой. Ёмкость загружается биомассой, разбавляется тёплой водой и герметично накрывается крышкой-колоколом. Воды в общей массе примерно 65–70%.

Дальнейших способов действия два:

  • массивный колокол является подвижным, он ложится на дно ёмкости и поднимается при нарастании давления образующегося биогаза, что также служит индикатором для визуального определения количества газа в ёмкости
  • колокол выполняет функцию крышки и неподвижен; в этом случае пригодится обычный манометр.

Температура ферментатора должна благоприятствовать запуску и протеканию процесса брожения. Попадая в благоприятную среду, метанообразующие (метанопроизводящие) бактерии, находящиеся в самой биомассе, начинают развиваться, увеличиваясь в массе. Процесс нарастания бактериальной массы занимает около трёх недель, по истечении которых биомасса переходит в активную фазу брожения. Для ускорения перехода биомассы в активную фазу используют закваску из функционирующего ферментатора. При активной фазе анаэробного брожения (без доступа воздуха) из ферментатора выделяется биогаз, который можно использовать в хозяйстве и быту.

Будущий ферментатор можно отделать кирпичом, соблюдая требования к герметичности

Выход биогаза зависит от температурного режима, который поддерживается в ёмкости, герметичности, качества биомассы, использующейся в качестве сырья, и составляет в среднем от 80–100 м³ газа из тонны разведённого сырья при теплотворной способности около 5500— 6000 ккал/м³.

Чтобы «завести» все три группы (психофильные, мезофильные и термофильные) метанопроизводящих бактерий, необходимо обеспечить поддержание температуры ферментатора (сырья) на уровне 35°C. Как показывает практика проведения экспериментов с выбором оптимальной температуры, нагрев биомассы на 10° градусов удваивает выход газа с каждого кубического метра ферментатора.

Наиболее благоприятным соотношением компонентов биомассы является 1:2, где одна часть растительных отходов перемешивается с двумя частями навоза. При смешивании навоза с опилками, соломой, торфом используют соотношение 7:3, если с домашними отходами — 4:6.

Хорошим советом будет ведение учёта работы установки с фиксацией данных о загружаемом сырье, соотношениях, количестве выхода и качестве биогаза.

Схема «минизавода» для производства биогаза: в качестве ферментатора используется бочка с основными приборами контроля, функцию неподвижного «колокола» выполняет крышка

При конструировании предусмотрите возможность ревизии состояния оборудования, его герметичности, очистки ферментатора и дозаправки сырьём, перемешивания и подогрева биомассы. Если планируется осуществлять большинство операций без разгерметизации колокола, тогда следует использовать систему дублирования ферментаторов и сообщающихся сосудов.

При использовании схемы дублирования установка снабжается двумя ферментаторами, которые загружаются и ремонтируются поочерёдно.

Использование принципа сообщающихся сосудов позволяет производить ежедневную дозаправку биосырьём. Для его реализации основную ёмкость ферментатора соединяют с дополнительной, соединение между ёмкостями осуществляется ниже уровня жидкости, что также выполняет функцию водяного затвора газа. Из второй ёмкости убирается определённое количество жидкости (обычно 10 часть объёма ферментатора), который заменяется таким же количеством свежего биосырья.

Схема биоустановки с возможностью дозаправки сырья и откачки переработанного ила

Также необходимо сделать колокол подвижным и при этом его уравновесить с целью не допустить его опрокидывания или заклинивания. Для изготовления колокола можно использовать обрезанные ёмкости от нефтепродуктов (желательно со сферическим днищем). Для искусственного утяжеления используется груз, равномерно распределённый по поверхности.

Биобензин и биодизель из древесины

Мировая экономика продолжает в значительной степени зависеть от углеводородного топлива (56% потребляемой энергии приходится на нефть и газ1). В то же время ясно обозначился глобальный тренд исчерпания легкодоступных запасов углеводородов, повышения стоимости освоения новых месторождений и, что еще более опасно, удельного увеличения энергозатрат на добычу2.

Прогноз развития рынков органического топлива
Доля биотоплива и лесной биомассы в глобальном объеме
сжигаемых разных видов топлива
Ожидаемые объемы производства разных видов топлива из
биомассы, млн т в год

Массовым явлением стало значительное превышение реальных затрат нефтяных компаний на освоение новых месторождений над расчетными3. Производство биотоплива из сельскохозяйственных культур не оправдало возлагавшихся на него надежд в связи с дилеммой food vs. fuel (выращивание энергетических культур ведет к сокращению посевов продовольственных и росту цен на продукты питания). В развитых странах возникло протестное движение, направленное на запрет использования сельхозугодий для производства топлива в условиях истощения почв (ежегодно 12 млн га сельхозугодий приходят в негодность, что эквивалентно потере потенциального урожая в объеме 20 млн т зерна4) и нерешенной глобальной продовольственной проблемы (в мире голодают или недоедают почти 800 млн человек5).

В результате ограничений на использование сельскохозяйственного сырья объем инвестиций в индустрию биотоплива нестабилен (падение на 8% в 2014 году по сравнению с предыдущим годом при быстром росте в секторе ветро- и солнечной энергетики) и остается относительно небольшим ($5,16 из $2707 млрд вложений в альтернативную энергетику в 2014 году). Производство биотоплива в мире (около 100 млн т8 ежегодно) меньше суммарного производства бензина и дизельного топлива в одной только России и может покрыть лишь 3,5% мирового спроса на нефтепродукты. Кроме того, наиболее крупнотоннажное на сегодня биотопливо — этиловый спирт — по целому ряду характеристик уступает традиционным видам горючего при использовании в двигателях внутреннего сгорания. У этилового спирта много недостатков: меньшая, чем у привычных видов топлива, энергетическая плотность; проблемы при пуске в мороз двигателя, работающего на спирте или бензине, смешанном со спиртом; повышенный риск коррозии топливной системы автомобиля; а также гигроскопичность, что создает угрозу поломки двигателя из-за попадания воды в камеру сгорания.

В связи с описанными проблемами идет активный поиск альтернативных источников биомассы и новых видов биотоплива.

Наиболее перспективными ресурсами считаются быстро размножающиеся микроводоросли, а также древесина, конечными продуктами — жидкие смеси углеводородов либо метиловых эфиров жирных кислот (FAME), близкие по свойствам традиционному бензину и дизельному топливу.

Основными преимуществами этих видов топлива над спиртами (метиловым, этиловым, бутиловым)являются отсутствие необходимости даже минимальных модификаций двигателей внутреннего сгорания при переходе с традиционного топлива на альтернативное, а также возможность использования существующей инфраструктуры — от нефтехимических заводов до автозаправочных станций.

Смесь легких углеводородов из древесины — биобензин

Сегодня в публикациях российских СМИ биобензином, как правило, называют смесь обычного бензина с этиловым спиртом. Такое топливо, активно внедряемое в США и Европе по экологическим соображениям, вызывает ряд нареканий у автомобилистов и пока не пользуется большой популярностью. За рубежом под биобензином (biogasoline) понимают аналог бензина (смесь углеводородов), полученный из растительной биомассы. Страны, богатые лесными ресурсами, но испытывающие нехватку нефтегазовых запасов, могут в будущем снизить свою зависимость от импорта энергоносителей за счет производства биобензина из древесины. Биобензин похож по составу на обычный бензин, отличаясь при этом в лучшую сторону большей полнотой сгорания и возможностью использования в двигателях с более высокой степенью сжатия, потому более мощных по сравнению с двигателями, рассчитанными на бензин с октановым числом 95 или 98. Для производства биобензина из древесины требуется использовать технологию, в результате которой происходит преобразование целлюлозы и лигнина, из которых большей частью состоят древесные волокна, в моносахариды, дисахариды, спирты и другие вещества с последующим проведением комплекса химических реакций для превращения этих веществ в легкие углеводороды, составляющие бензин. Основными задачами совершенствования существующей технологии являются удешевление разложения целлюлозы и лигнина, а также сокращение цепочки дорогостоящих химических преобразований продуктов распада целлюлозы и лигнина в углеводороды. Перспективными для решения обеих задач представляются биохимические (ферментативные) методы, которые потребуют создания новых штаммов микроорганизмов методами генной инженерии. Некоторые исследователи полагают, что в будущем массовое применение может найти технология прямого ферментативного преобразования этилового спирта в углеводороды.

Высокотехнологичный стартап Virent Energy Systems24 (США, штат Висконсин), созданная в 2002 году, в 2010 году совместно с Royal Dutch Shell запустила опытно-промышленное производство бензина из водорастворимых сахаров минуя стадию спиртового сбраживания. Сырьем служат кукуруза, пшеница и другие сельхозкультуры с высоким содержанием крахмала25, 26.

Следующими шагами в технологическом развитии этого направления должно стать снижение стоимости биобензина (до уровня конкурентоспособности с обычным бензином при цене нефти $60 за баррель), а затем — освоение производства биобензина из древесины.

Изобутен из древесины для биобензина с октановым числом 100

Изобутен (изобутилен) — изомер бутилена с общей химической формулой C4H8 — сегодня производится почти исключительно из углеводородного сырья. Мировой объем изготовления этого вещества составляет приблизительно 25 млн т в год. Половина этого объема используется для производства присадок к автомобильному топливу с целью повышения его октанового числа. Одной из таких присадок является изооктан — вещество, принятое в качестве эталона 100-балльной шкалы сопротивления топлива детонации (октановой шкалы), поэтому чистый изооктан может рассматриваться как бензин с октановым числом 100. Другие примеры применения изобутена — производство авиатоплива, бутиловой резины для покрышек, пластиков, красок, органического стекла.

Инновационная компания Global Bioenergies27, расположенная во Франции, последние несколько лет активно разрабатывала технологию производства изобутена из органических остатков растений с использованием специальной генетически измененной культуры микроорганизмов. Процесс аналогичен дрожжевому сбраживанию сахаров, когда в результате питания микроорганизмов сахарами образуются этиловый спирт и углекислый газ. Отличие новой технологии заключается в том, что продукт метаболизма новой микрокультуры — газ изобутен — при образовании испаряется с поверхности питательного раствора. Этиловый спирт, накапливаясь по мере брожения в бродильном чане, при достижении определенной концентрации убивает дрожжи, и процесс брожения останавливается; аналогичные проблемы характерны для микрокультур, создаваемых методами метаболического инжиниринга для производства высокомолекулярных спиртов28. В результате при изобутеновом брожении органики концентрация конечного продукта находится на постоянно низком уровне, так что процесс может идти непрерывно при условии своевременной подачи сырья в чан.

В мае 2015 года компания Global Bioenergies на своем экспериментальном заводе вблизи г. Реймс произвела в промышленном масштабе первую партию изобутена, полученного из органического сельскохозяйственного сырья. Из изобутена на нефтехимическом заводе в Германии был произведен изооктан, и это топливо — высококачественный заменитель обычного бензина — было протестировано компанией Audi29.

Ведется работа по освоению методов использования древесной биомассы для производства изобутена. Этот процесс включает в себя предварительную ферментацию с целью разложения целлюлозы и лигнина на сахара, подверженные изобутеновому сбраживанию.

Ранее для разложения целлюлозы на сахара (для этанолового сбраживания) применялись методы гидролиза, связанные с варкой древесной биомассы в серной кислоте под давлением30. Новая технология позволит получать высококачественное моторное топливо и ряд видов традиционной нефтехимической продукции за счет экологически чистой переработки древесной биомассы (в т. ч. древесных отходов) без использования опасных химических реагентов.

Биодизель из таллового масла и скипидара

Большие масштабы мировой целлюлозно-бумажной промышленности (до 200 млн т целлюлозы в год31) дают возможность получения суммарно до 15 млн т ценных побочных продуктов — скипидара и таллового масла. Первое из этих веществ может стать распространенной присадкой к традиционному дизельному топливу, а второе — сырьем для получения биодизеля — органического топлива, аналогичного по свойствам дизельной фракции нефти. Биодизель может использоваться в обычных дизельных двигателях, в том числе на автомобильном транспорте, и не требует переделки двигателя. Он отличается несколько более высоким, чем у обычного дизельного топлива, цетановым числом (58-60 против 50-55; это обеспечивает более плавное нарастание давления при горении топлива в камерах сгорания двигателя и снижает его износ) и значительно меньшим количеством вредных выбросов в атмосферу по сравнению с нефтяным дизельным топливом.

В зарубежных странах проведены опытные испытания работы различных дизельных двигателей на топливе, представляющем собой смесь 5-30% скипидара и 70-95% обычного дизельного топлива. Применение таких смесей на 10-45% снижает удельные выбросы сажи и наиболее токсичных вредных веществ, таких как несгоревшие углеводороды и оксиды азота32, 33. Многочисленные примеры из практики34 эксплуатации легковых автомобилей с дизельным двигателем также показали, что смесь растительного масла и скипидара в соотношении 80:20, изготовленная в бытовых условиях, может использоваться как заменитель традиционного дизельного топлива в большинстве автомобильных дизельных двигателей. При стоимости отработанного растительного масла около 0,25 евро за 1 кг35, для многих автовладельцев такой вид топлива может стать реальной альтернативой покупке топлива на заправочных станциях. В ряде развитых стран (Германии, Японии и др.) формируется рынок отработанного растительного масла (WCO) и внедряются специальные меры государственной политики, направленные на стимулирование его сбора и сдачи населением36.

Основным препятствием для расширения использования скипидара в топливных целях является его довольно высокая стоимость по сравнению с бензином. Развитие специализированных хвойных плантаций и улучшение технологий получения очищенного скипидара на целлюлозных комбинатах может решить эту проблему.

Талловое масло — перспективное сырье для производства биодизеля, альтернативное пальмовому маслу и разным растительным маслам, получаемым из сельскохозяйственных культур. Процесс производства биотоплива заключается в комплексном термическом и химическом воздействии на талловое масло для преобразования (этерификации) его компонентов в метиловые эфиры жирных кислот (FAME), входящие в состав биодизельного топлива. Не все компоненты таллового масла пригодны для такой реакции, поэтому только 40% массы таллового масла может быть преобразовано в биодизель. Поскольку стоимость таллового масла ниже стоимости большинства растительных масел, а процесс этерификации во многом схож для всех масел, то общая себестоимость биодизеля из таллового масла может быть существенно ниже, чем из растительного (по некоторым данным, она может не превышать $0,3 против $0,65 за 1 л37).

Подготовил Илья КУЗЬМИНОВ,
ведущий эксперт Форсайт-центра Института статистических
исследований и экономики знаний (ИСИЭЗ) НИУ ВШЭ

1 Key World Energy Statistics / IEA, 2015

2 Если в середине XX века энергии одного барреля нефти хватало в среднем для добычи 50 баррелей, то к 2010 году это соотношение снизилось до 1:10 / Геологоразведка, добыча и переработка полезных ископаемых: перспективы научно-технологического развития. Аналитический доклад к заседанию Совета при Президенте Российской Федерации по модернизации экономики и инновационному развитию России / НИУ «Высшая школа экономики», МГУ им. М. В. Ломоносова. Москва, 2015

3 Глобальные нефтегазовые корпорации: современные вызовы и модернизация бизнес-модели / А. Березной / Lambert Academic Publishing, 2014

4 Desertification Land Degradation&Drought (DLDD) — Some Global Facts&Figures / UNCCD, 2014

5 The State of Food Insecurity in the World 2015 / FAO, 2015

6 Global trends in renewable energy investment, 2015 / Frankfurt School. FS-UNEP Collaborating Centre, 2015

7 Renewables Re-energized: Green Energy Investments Worldwide Surge 17% to $270 Billion in 2014

8 Renewable Energy. Medium-Term Market Report, 2014. Executive Summary / OECD-IEA, 2014

9 При консервативно оцененном среднегодовом темпе роста 4%, что ниже среднегодового темпа роста в последние годы, находящегося в диапазоне 5-6% / Renewables 2014 Global Status Report / Renewables Energy Policy Network for the 21-st Century

11 Methanol from Biomass Fact Sheet / European Biofuels Technology Platform, 2015

12 The developing DME market: What it means for LPG / LPGas, 2015

13 При умеренно оптимистично оцененном среднегодовом темпе роста 10,5-11% в год // http://www.reuters.com

14 При консервативно оцененном среднегодовом темпе роста 7%, что ниже среднегодового темпа роста в последние годы, находящегося в диапазоне 9-11% // http://www.ren21.net

15 http://www.upm.com, http://www.cleantechfinland.com/

16 Here is why Barents oil is becoming unprofitable / Barents Observer, 2014

17 Japan extracts gas from methane hydrate in world first / BBC, 2013

18 Fact Sheet: U.S. — China Joint Announcement on Climate Change and Clean Energy Cooperation

19 James Inhofe: Seven memorable lines from US’s most famous (and most influential) climate change denier

21 Global Wood Pellet Consumption Outlook

22 The Russian Federation Forest Sector Outlook Study to 2030 / FAO, 2012

24 Company Overview of Virent Energy Systems, Inc.

25 http://advancedbiofuelsassociation.com

26 http://www.biofuelsdigest.com

27 http://www.global-bioenergies.com

29 http://www.audiusa.com

31 http://www.forestindustries.se

34 http://beyondbiodiesel.org

Submit a Comment

Must be required * marked fields.

:*
:*