В качестве замены традиционным источникам энергии выступают разные формы биотоплива, для создания которых используются растительные и животные ресурсы, а также промышленные отходы и остатки жизнедеятельности организмов.
В данной статье мы детально рассмотрим преимущества и недостатки использования такого топлива, изучим процесс его производства и технические характеристики, а также проанализируем эффективность различных видов биологического топлива. Эта информация окажется полезной при выборе альтернативных источников энергии.
Краткое содержание статьи
Что такое биологическое топливо
Одним из наиболее многообещающих направлений в области энергетики являются технологии, основанные на применении возобновляемых ресурсов, среди которых и биотопливо.
Наиболее часто используемым видом биологического топлива являются обычные дрова — 38% мирового населения использует их для отопления и приготовления пищи.
Как сырье для производства такого топлива служит биомасса, как растительного, так и животного происхождения, включая промышленные отходы и остатки жизнедеятельности животных.
Процесс переработки этих материалов осуществляется термохимическими или биологическими методами, причем во втором случае биоприкладываются различные микроорганизмы для получения топлива.
Доля использования биологического топлива продолжает увеличиваться, что положительно сказывается на сохранении запасов ископаемого углеводорода (+).
Во многих странах существуют специальные инициативы, направленные на увеличение доли биотоплива в нацональном и региональном потреблении энергии. В ряде стран также установлены обязательные требования к использованию этого вида энергии.
Достоинства и недостатки биотоплива
У различных видов биологического топлива имеются как положительные, так и отрицательные аспекты. Интерес к таким источникам энергии объясняется их неоспоримыми преимуществами.
К числу их достоинств относятся:
- Экономическая доступность. Несмотря на то, что текущие цены на биотопливо близки к стоимости бензина, биологические источники считаются более привлекательными из-за меньших выбросов при сжигании. Биотопливо можно использовать в различных условиях, включая адаптацию под различные типы двигателей. К тому же, работа мотора оптимизируется, оставаясь длительное время чистым благодаря меньшему количеству сажи и продуктов сгорания.
- Удобство транспортировки. В отличие от многих альтернативных источников энергии, биологическое топливо обладает высокой мобильностью. Например, солнечные и ветряные установки часто требуют установки тяжёлых аккумуляторов, которые больше подходят для стационарного использования, в то время как биотопливо легко перевозится между регионами.
- Возобновляемость. Хотя большинство запасов нефти, согласно исследованиям, достаточно для нескольких сотен лет, ресурсы углеводородов в конечном итоге истощатся. В отличие от этого, биотопливо, производимое из растений и отходов животных, является возобновляемым ресурсом, который не исчезнет в обозримом будущем.
- Защита атмосферного воздуха. Существенным минусом традиционных углеводородов является высокое содержание CO2, выделяемое при сжигании. Этот газ способствует парниковому эффекту, провоцируя глобальное потепление. В процессе сгорания биологических ресурсов количество углекислого газа снижается на 65%. Кроме того, растения, используемые для производства биотоплива, поглощают углекислый газ, уменьшая его концентрацию в атмосфере.
- Экономическая независимость. Запасы углеводородных ресурсов распределены неравномерно, и многие страны зависят от импорта нефти или газа, что связано с большими затратами на покупку и транспортировку. Биологическое топливо можно производить практически в любой стране, что позволит создать новые предприятия и рабочие места, положительно влияя на экономику.
Развитие технологий и внедрение новых подходов смогут значительно снизить стоимость биотоплива. Например, использование планктона и водорослей в производственных процессах может оказаться весьма эффективным.
Тем не менее, современные технологии производства биотоплива сталкиваются с рядом препятствий и сложностей. Одной из главных проблем являются природные ограничения, связанные с возделыванием растений.
Для культивирования растений, предназначенных для получения биомассы, необходимо учитывать несколько факторов, в том числе:
- Использование водных ресурсов. Сельскохозяйственные культуры требуют значительных объемов воды, что является ограниченным ресурсом, особенно в засушливых регионах.
- Инвазивные последствия. Часто растения, возделываемые для производства биотоплива, являются агрессивными, что может угрожать естественной флоре и биоразнообразию экосистемы региона.
- Удобрения. Для успешного роста многих из них требуется применение удобрений, что может негативно сказаться на других урожаях и окружающей экосистеме.
- Климатические условия. Определённые климатические зоны (такие как пустыни или тундра) не подходят для возделывания растений, используемых в производстве биотоплива.
Активное возделывание сельскохозяйственных растений также приводит к истощению земельных ресурсов. Нарушение правил агрономии может негативно повлиять на содержание полезных веществ в почве и привести к её истощению, что усугубит проблему продовольственной безопасности.
Это может также нарушить экосистемы. Увеличение площадей, отведённых под сельское хозяйство для производства биомассы, зачастую приводит к необходимости очистки территорий, что в свою очередь разрушает микроэкосистемы (например, леса) и вызывает гибель множества растений и животных.
В настоящее время для производства биотоплива используется значительное количество сельскохозяйственных культур. Более 50% произведённого в Европе рапса, свыше трети зерна, выращиваемого в США, и почти половина производимого в Бразилии сахара, уходит на эти цели.
Проблемы также возникают и в связи с практикой возделывания монокультур. Для получения максимальных объёмов биомассы производители зачастую засевают большие площади одним видом растения, что отрицательно сказывается на состоянии сельскохозяйственных угодий и на окружающей среде в целом.
На полях, где культивируется только один вид растения, обосновываются специфические вредители. Пытаясь контролировать их с помощью инсектицидов и пестицидов, производители сталкиваются с проблемой выработки устойчивости к этим химикатам.
Чтобы избежать подобных проблем, эксперты рекомендуют учитывать биоразнообразие растений, сочетая несколько видов на полях или используя местные сорта растений.
Поколения альтернативного горючего
Богатый ассортимент растительного сырья, используемого для биомассы, можно разделить на несколько поколений.
Первое поколение. В эту категорию входят сельскохозяйственные культуры с высоким содержанием крахмала, сахаров и жиров, такие как кукуруза, сахарная свекла, рапс и соя.
Так как возделывание этих растений негативно сказывается на климате, а их отсутствие на рынке влияет на ценообразование продуктов, учёные работают над поиском замен для этих видов биомассы.
Сельское хозяйство первого поколения является основным источником практически всех видов современных жидких топлив (биодизель, этанол).
Второе поколение. Эта группа включает древесину, травы и сельскохозяйственные отходы (например, шелуха и скорлупа). Хотя производство биотоплива из такого сырья требует больших затрат, оно решает вопрос утилизации непищевых остатков с одновременным производством горючих веществ.
Комплекс, входящий в эту категорию, отличается наличием лигнина и целлюлозы, что позволяет осуществлять их сжигание, газификацию и пиролиз для получения жидкого топлива.
Основным недостатком биомассы второго поколения можно считать низкую эффективность на единицу площади, что требует выделения больших земельных ресурсов.
Третье поколение. В этой категории находятся водоросли, которые культивируются на промышленных масштабах, например, в открытых водоёмах.
Особого внимания заслуживает биотопливо, добываемое из одноклеточных водорослей, так как эти растения быстро растут и не требуют плодородных земель для своей жизнедеятельности.
Несмотря на значительные перспективы этой практики, технологии на данный момент находятся в стадии разработки. Ученые также занимаются исследованием методик производства биотоплива четвёртого и даже пятого поколений.
Три разновидности биотоплива
В зависимости от агрегатного состояния вещества, биотопливо делится на три основных типа:
- Твердые: дрова, торф, отходы от животных и сельского хозяйства.
- Жидкие: биодизель, диметиловый эфир, биоэтанол, биобутанол.
- Газообразные: биогаз, метан, биоводород.
Каждый из этих типов обладает своей уникальной спецификой, которая будет рассмотрена далее.
Тип #1: твердые
Среди самых популярных твердых форм биологического топлива можно выделить древесину, торф и отходы жизнедеятельности животных.
Древесина (дрова, щепа, опилки)
Один из старейших источников биотоплива — дрова, которые на протяжении веков использовались для отопления и приготовления пищи. В современных реалиях их применение продолжается в различных странах, при этом дрова служат сырьем для значительных тепловых электростанций, таких как австрийская, мощность которой достигает 66 мегаватт.
Тем не менее, у этого сырья имеются и недостатки. Энергетическая ценность дров достаточно низка, и при сгорании часть вещества скапливается в виде сажи, что заставляет регулярно очищать камины и печи. Кроме этого, для восстановления запасов древесины требуется долгий срок — новые деревья вырастают за 15-20 лет.
Прекрасной заменой традиционным дровам являются пеллеты — гранулы, производимые из некондиционной древесины, такой как кора, щепа и прессованные опилки.
Пеллеты, создаваемые из древесины, торфа и различных производственных отходов, бывают разных цветов. Светлые используются в каминах и печах, в то время как темные, содержащие больше коры, предназначены для твердотопливных котлов.
Процесс производства топливных пеллет включает измельчение сырья в порошок, который затем сушится и прессуется при высокой температуре. Лигнин, содержащийся в древесине, создает клейкую массу, из которой формируются цилиндрические гранулы длиной от 5 до 70 мм и диаметром 6-10 мм.
Современные аналоги обыкновенных дров — топливные брикеты, имеющие четырех-, шести- или восьмигранную форму. Этот экологически чистый материал показывает отличную теплоотдачу.
Создать производство пеллет можно и самостоятельно, используя пресс для брикетов топлива.
Еще одним распространенным видом биотоплива является древесная щепа, которая часто используется как источник энергии на европейских теплоэлектростанциях. Это сырье добывается как на лесозаготовках, так и на специализированных линиях, оборудованных шредерами.
Торф из болот и лесов
Торф — еще одна распространенная форма биотоплива, использовавшаяся в быту и промышленности на протяжении веков. Он представляет собой не полностью разложившийся мох, добываемый в различных странах, включая Россию, Беларусь, Канаду, Швецию, Индонезию и другие.
Обладая 50-60% содержания углерода, торф является ценным газоносным сырьем, которое можно использовать не только в качестве топлива, но и как удобрение или теплоизолятор.
Для оптимизации производства биомассу обычно перерабатывают на месте ее добычи. Этот процесс включает очистку (просеивание) от посторонних примесей, за которым следуют сушка и прессовка в брикеты или гранулы.
Топливо из сельскохозяйственных остатков
В процессе сельского хозяйства образуется множество растительных отходов, таких как шелуха, скорлупа орехов и солома.
Эти отходы также могут подвергаться прессовке и гранулированию, создавая топливные пеллеты, которые по своим характеристикам практически не отличаются от тех, что изготовлены из древесной биомассы.
Животное биотопливо
С древних времен человечество использует топливо животного происхождения, например, кизяки — высушенный навоз домашних животных. Современные технологии сушки и переработки этого сырья позволяют производить твердые виды биотоплива без неприятного запаха.
Кочевые народы использовали высушенный навоз лошадей, верблюдов и крупного рогатого скота в качестве горючего. В наши дни отходы от домашних животных перерабатываются в биотопливо, которое выпускается в виде брикетов или пеллет.
С учетом массового накопления отходов животноводства на сегодня, переработка их в топливо также решает проблему утилизации.
Тип #2: жидкое
Жидкие формы биотоплива, отличающиеся безопасностью и экологичностью, в основном используются как замена бензину и аналогичным средствам. К наиболее популярным видам относятся биоэтанол, биометанол, биобутанол, биодизель и диметиловый эфир.
Биоэтанол из растительных материалов
Это известное жидкое биотопливо применяется для заправки автомобилей. Хотя чистый биоэтанол не используется в качестве основного горючего, его добавление в бензин улучшает работу двигателя, повышает его мощность и уменьшает выбросы углекислого газа.
На автозаправочных станциях во многих странах Европы, Азии, а также Северной и Южной Америки можно найти не только традиционное топливо, но и различные его биосмеси с добавлением биоэтанола.
Кроме того, биоэтанол также оценили владельцы каминов. Это топливо обладает хорошей теплоотдачей, при его сгорании не выделяется сажа и дым, а выбросы углекислого газа минимизированы.
Благодаря этим качествам, его можно использовать даже для отопления в многоквартирных домах. Дополнительную информацию о биотопливе для каминов можно найти в этой статье.
Производство биоэтанола осуществляется из сырья первого поколения, в состав которого входят крахмал или сахар. Зерновые, кукуруза, сахарный тростник и свекла перерабатываются через спиртовое брожение.
Биобутанол для автомобилей
Биобутанол — это биологический аналог бутанола. Бесцветная жидкость с характерным запахом используется как в промышленности, так и в качестве транспортного топлива.
Энергоемкость бутанола близка к бензину, что позволяет частично заменять его в топливных элементах. В отличие от биоэтанола, биобутанол можно использовать отдельно без добавления традиционных горючих материалов.
Сырьем для его производства служат различные растения: свекла, маниока, пшеница и кукуруза.
Диметиловый эфир (C2H6O)
Это также экологически чистое топливо. При его сгорании в выхлопных газах отсутствуют соединения серы, а содержание соединений азота на 90% ниже, чем при сжигании бензина.
Диметиловый эфир можно использовать без особых фильтров, однако для автомобилей требуется внести серьезные изменения в систему питания и зажигания.
Диметиловый эфир рассматривается как перспективный вид автомобильного топлива, и его разработкой занимаются крупные компании, такие как Volvo, SAIC Motor, KAMAZ и Nissan.
Комбинированное топливо с 30% диметилового эфира можно использовать в автомобилях с LPG-двигателями без дополнительных переделок.
Жидкое топливо можно производить из разнообразных сырьевых источников: природного газа, угольной пыли, биомассы, включая остатки целлюлозно-бумажного производства, которые могут преобразовываться в жидкость при небольшом давлении.
Биометанол от водорослей
Такой тип вещества является аналогом обычного метанола, который широко применяется для получения различных химических соединений, таких как уксусная кислота и формальдегид, а также используется в роли антифриза и растворителя.
Вопрос о производстве биометанола был поднят впервые в 1980-х годах, когда группа ученых предложила получать это вещество путем биохимической трансформации морского фитопланктона, который будет выращиваться в специальных водоемах.
Биометанол обладает несколькими потенциальными преимуществами:
- высокая энергоотдача — 14 при получении метана, 7 при производстве метанола;
- высокая продуктивность фитопланктона — до 100 тонн с гектара в год;
- неприхотливость одноклеточных организмов, для дальнейшего культивирования которых не требуется пресная вода или плодородные почвы;
- сохранение земельных ресурсов, поскольку фитопланктон разводится в прудах или морских заливах.
Хотя промышленное производство биометанола еще не налажено, в настоящее время ведутся интенсивные исследования и разработки технологий для внедрения этого альтернативного топлива.
Биодизель как замена транспортному топливу
Это жидкое моторное биотопливо, представляющее собой смесь эфиров жирных кислот. Данное вещество безопасно для здоровья людей и животных, практически полностью разлагается в soil за 28 дней и отличается довольно высокой температурой возгорания (менее 100).
Биодизель снижает уровень выбросов вредных веществ и способствует увеличению срока службы двигателя, благодаря наличию в его составе смазочных элементов.
Такое топливо можно использовать как самостоятельно, так и в комбинации с обычным дизельным топливом. Однако стоит помнить о коротком сроке хранения биологического топлива: после трех месяцев начинается распад вещества с полной потерей его свойств.
В странах ЕС был принят специальный стандарт EN14214 для биодизеля, а в ряде государств действует стандарт EN590, допускающий добавление 5% биодизеля в другие виды топлива.
Тип #3: газообразное
К основным категориям газообразного биотоплива относятся биогаз и биоводород.
Биогаз как альтернатива природному газу
Биогаз — это практически калька природного газа: его состав включает от 13 до 50% CO2, 49-87% метана и примеси H2 и H2S. После очистки от углекислого газа можно получить биометан.
Это газообразное топливо создается из биомассы с помощью водородного или метанового брожения, которое осуществляется тремя типами микроорганизмов: сначала на сырье действуют гидролизные бактерии, затем их сменяют кислотообразующие и метанообразующие микробы.
Процесс получения биогаза может осуществляться как на масштабных заводах, так и на небольших установках. Наиболее распространенный метод производства включает использование метантанков для анаэробного брожения.
В качестве исходного сырья могут выступать различные материалы: силос, навоз, водоросли, сточные воды, помет, фекалии и бытовые отходы. Сырье предварительно подготавливается и доводится до однородной консистенции, затем с помощью погрузчика загружается в реактор.
Внутри реактора поддерживается тепло в диапазоне +35-38°C, что является оптимальным для метанового брожения.
Сырье непрерывно перемешивается, а образующийся газ отводится в газгольдер — специальный резервуар для хранения, после чего он поступает в генератор электричества.
Дополнительную информацию о производстве биогаза из навоза и о создании биогазовых установок можно найти в следующих статьях:
- Как изготовить биотопливо самостоятельно из навоза в домашних условиях
- Создание биогазовой установки для загородного дома своими руками: полезные советы и пример устройства самодельной установки
Биоводород, полученный химическим способом
Этот вид газообразного биотоплива, который является аналогом стандартного водорода, извлекается из биомассы с использованием биохимических или термохимических методов.
При термохимическом методе подготовленные материалы (например, древесные отходы) нагреваются до температурного диапазона 500—800°C в бескислородной среде, что приводит к выделению газов H2, CO и CH4.
Перспективный подход к производству биоводорода включает биофтолиз. В этом случае газ генерируется с помощью водорослей, помещенных в морскую воду или сточные воды.
В методе биохимического получения сырье выдерживается в комфортных условиях при нормальном давлении и температуре около 30°C.
В биомассу добавляются специальные микроорганизмы, такие как Enterobacter cloacae и Rodobacter speriodes, которые разлагают исходный материал и выделяют водород. Для повышения скорости производства могут использоваться энзимы вместе с полисахаридами.
Выводы и полезное видео по теме
В представленном видео вы можете наблюдать процесс создания одного из популярных видов биотоплива — древесных брикетов:
Разновидности биологического топлива отличаются не только по агрегатному состоянию, но и по своим характеристикам. При выборе топлива важно учитывать его предполагаемое использование, эффективность, функциональные свойства и стоимость.
Есть ли у вас опыт использования альтернативных видов топлива? Или у вас есть вопросы по теме биотоплива? Делитесь своим мнением в комментариях и участвуйте в обсуждении. Блок обратной связи находится ниже.
