Производство биотоплива

ПРОИЗВОДСТВО БИОТОПЛИВА

Производство биотоплива — это вопрос, актуальный для большинства владельцев загородной недвижимости. Существует три причины интереса к полноценной замене традиционных источников энергии:
1.Отсутствие поблизости коммуникаций для отопления жилого и производственного сектора.
2.Невозможность обеспечить район проживания централизованным отоплением.
3.Высокие цены на горячую воду и газ от поставщиков.

Перечисленные трудности вынуждают людей искать в природе более доступные и дешёвые способы отопления дома, а также сырья, средств на приобретение необходимого оборудования, знаний и опыта для самостоятельного изготовления и использования теплоёмкого биоресурса.

Что такое биотопливо

Биотопливом являются органические носители энергии, полученные в результате переработки газообразного, жидкого и твёрдого сырья естественным, промышленным способом или своими руками. Естественная переработка происходит при биохимическом разложении органических веществ на длительном временном промежутке без участия человека. Промышленный и самодеятельный синтез энергоносителей осуществляется достаточно быстро и включает в себя антропогенную составляющую.

Заинтересованность в альтернативных источниках энергии обусловлена истощением природных ресурсов, которые веками используются человечеством в качестве топлива. Играют роль и трудности, возникающие в процессе геологоразведки, добычи и транспортировки сырья  конечному потребителю. Упростить положение смогли только постоянные источники сырья, открытые наукой для нужд биохимии, малого бизнеса и частных хозяйств, лишённых централизованного теплоснабжения...

ТЭЦ на биотопливе распространены в лесных регионах, расположенных в отдалении от газопроводов и нефтеперегонных магистралей. Основным сырьём для электростанций, предназначенных для предприятий ЖКХ, больниц, школ, детских садов и других малобюджетных служб, здесь выступают отходы предприятий по переработке древесины. Затраты на производство отопительной энергии в таком случае становятся минимальными.

Виды биотоплива из биокомпонентов

Основные виды биотоплива существуют в трёх агрегатных состояниях:  твёрдом, жидком  и газообразном.

Твёрдый источник, пригодный в качестве биотоплива, представлен:
\
•цельными отходами, остающимися  после обработки деловой древесины;
•брикетами и гранулами, спрессованными из стружек, опилок, веток, соломы;
•высушенными и скомпанованными в брикеты экскрементами животных

Жидкая компонента биотоплива — это этиловый спирт и эфиры, применяемые в качестве добавок к автомобильному топливу или заменяющие его полностью. Жидкое биотопливо образуется в результате брожения и последующей термической возгонки размельчённых смесей из растений, содержащих  сахар в той или иной форме. К таким растениям относятся ячмень, пшеница, картофель, свекла, горох и ряд других сельскохозяйственных культур.
\
Самые распространённые продукты переработки растений, имеющие жидкую консистенцию и выступающие как биотопливо:
•биоэтанол;
•биометанол;
•биобутанол;
•диметиловый эфир;

Первые три из этих видов биотоплива заменяют бензин и являются аналогами соответственно — этилового, метилового, бутилового спиртов. Диметиловый эфир аналогичен простому эфиру. Применяется в дизельных двигателях.

Газообразное биотопливо возникает в процессе брожения растительных и животных отходов. Катализатором биохимической реакции выступают прокариотические бактерии или дрожжи-эукариоты. В итоге брожения биоматериалов получается водород,  растительные вещества выделяют метан.

Поколения биотоплива

Существуют несколько поколений биотоплива, различающихся между собой по ряду параметров:

1.содержанию исходного продукта
2.объёмам выпускаемой продукции;
3.рентабельности производства

К первому поколению относятся биотопливо, в основу которого заложены:

•растительное масло, выжатое из семян подсолнуха (пригодно для биодизеля);
•крахмал, полученный в результате размола зерна различных злаков (исходный материал для биоэтанола);
•животный жир;
•сахар, изготовленный их сахарного тростника или свеклы.
•тростник кукурузы
Недостатки метода:
•биотопливо, полученное из пищевой субстанции, сокращает объём продуктов, необходимых для питания людей, число которых на планете постоянно увеличивается;
•высокая стоимость компонентов, входящих в пищевую цепочку, требующих постоянных субсидий и не способных конкурировать с традиционным топливом, произведённым из нефти;
•содержание выбросов при транспортировке груза и его переработке засоряет биосферу больше, чем нефтеперегонные предприятия.
\
Второе поколение биотоплива  в России получают исключительно из непищевых источников и пищевых отходов, в качестве которых подходят листья и ветки деревьев, стебли растений, шелуха от орехов, кукурузы, гороха, мякоть, оставшаяся после извлечения сока из фруктов, отходы переработки дерева.

Технология переработки в данном случае направлена на извлечение целлюлозы — базового материала для получения сахара. Биотопливо (этанол) является результатом обработки целлюлозного сахара паром при высокой температуре в присутствии энзимов, ускоряющих химический процесс.

Единственный побочный продукт реакции — лигнин. Биотопливо в виде лингвоцеллюлозного этанола используется  для теплоснабжения помещений и получения электрической энергии на тепловых электростанциях. Концентрация парниковых газов, образующихся при этом, значительно ниже подобных выбросов при переработке нефти.

В третьем поколении биотоплива в качестве сырья используются водоросли, которые иногда специально разводят для увеличения объёма производства.
Преимущества биотоплива в третьем поколении:
•дешевизна (это чувствуется на фоне дороговизны нефтепродуктов);
•энергоёмкость выше, чем у наземной растительности примерно в 25-30 раз;
•способность разлагаться, не причиняя вреда биосфере;
•безопасность при случайном проникновении во внешнюю среду.

Недостаток биотоплива 3-го поколения один — для  производства относительно небольших объёмов БТ требуются огромные по площади водоёмы для того, чтобы вырастить водоросли.

В последние годы компания «Алгенол» в США разрабатывает альтернативную методику, позволяющая эксплуатировать имеющиеся бассейны для водорослей более интенсивно. При этом используются водные растения, способные вырабатывать биоэтанол in vivo — без утери жизнеспособности. Одна и та же колония полезной флоры способна приносить по нескольку урожаев для производства биотоплива в сезон.

Твёрдое биотопливо

Твёрдое биотопливо образуется в процессе жизнедеятельности одного растительного или животного организма, в отличие от каменного угля, формирующегося веками и тысячелетиями. При этом не все виды такого материала подходят на роль энергоресурса. Обязательным условием является энергоэффективность БТ — энергозатраты на производство биотоплива должны быть значительно меньше энергии, которую способен выделить источник.
Виды твёрдого биотоплива
Самыми распространёнными материалами для БТ, имеющими удовлетворительный энергоресурс и позволяющими отопить множество помещений для различных нужд, считаются:
•дрова;
•экскременты животных;
•растительные отходы
Дрова — древнейший из источников извлечения тепловой энергии. Недостатками этого вида биотоплива являются:
•небольшой КПД (сгорает только часть древесины, другая превращается в золу);
•необходимость постоянной очистки камеры сгорания от зольных осадков;
•длительное время регенерации использованных лесов, препятствующее интенсивному производству БТ

К СВЕДЕНИЮ!

Проблема оптимизации процесса сгорания дров решается с помощью двухступенчатого пиролиза. На первой ступени сгорание материала производится в условиях недостаточного притока кислорода. Это даёт возможность дереву прогреться на всю толщину полена. Вторая ступень характеризуется интенсивным притоком воздуха. В результате сгорание происходит быстро. Отход в виде золы незначителен.

Экскременты животных в высушенном виде применялись как горючее с незапамятных времён. Самым ходовым топливом был кизяк — навоз, остающийся от животных. Пользовались кизяком преимущественно жители степей, скотоводы-кочевники, в распоряжении которых всегда имелось много навоза. Не было только дров — лишь верблюжья колючка, мало пригодная для разведения эффективного костра.
С давних пор гранулированный кизяк распространён в Китае и Индии. Такое топливо достаточно энергоэффективно,  чтобы прогреть котёл, печь, камин и другие обогреватели, экономя на использовании угля и дров.

Преимущества животного биотоплива:

•сырьём является обыкновенный помёт количество которого достаточно для масштабной переработки;
•стоимость материала ничтожна;
•промышленная сушка и формовка даёт возможность выпускать БТ в виде брикетов и гранул, удобных для транспортировки и загрузки в топку;
•отвратительный запах, присущий свежему навозу, у формованной продукции отсутствует полностью;
•с помощью промышленной переработки кизяка решается проблема утилизации отходов крупного животноводства

Растительные отходы в изобилии оставляет после себя современный агропромышленный комплекс. Наибольшую ценность имеют:
•шелуха, остающаяся после обработки зерновых, бобовых и кукурузы;
•лузга от семян подсолнечника — отход от выжимки растительного масла;
•солома

Природа источников растительного биотоплива и эффективность аналогичны дровам. Преимущество заключается в быстроте возобновления материала, пригодного для БТ. В Германии до 5% БМ добавляют в бензин марки Е-10. Считается, что применение такого автомобильного топлива снижает выброс СО в атмосферу.

ИМЕТЬ В ВИДУ!

Отходы от переработки растений пригодны не только для горения в топках. Сахар, содержащийся в растительности, легко подвергнуть брожению и превратить в спирт, вполне пригодный для заправки в автомобиль. А  также для медицинских и пищевых целей.

Жидкое биотопливо

Жидкое биотопливо производится из рапсового масла, экстрактов из стеблей кукурузы, злаков, других растений, содержащих сахар, и применяется в виде:
•биодизеля, увеличивающего срок эксплуатации авто и уменьшающего вредность выхлопа;
•диметилового эфира, повышающего КПД газобалонного оборудования;
•биометанола (бутилового спирта), по энергоотдаче аналогичного бензину и применяемого как биодобавка;
•биоэтанола
К биоэтанолу отношение особенное. Среди всех жидких видов биотоплива данное вещество имеет самый пространный набор преимуществ:
•повышает мощность двигателя и срок эксплуатации авто;
•уменьшает концентрацию СО в выхлопных газах и промышленных выбросах в атмосферу;
•в качестве биодобавки позволяет существенно снизить расходы на бензин;
•экономичен в производстве (один гектар рапса даёт до полутора тонн биоэтанола)

Выявленный недостаток один — ацетальдегидные и формальдегидные выбросы в атмосферу, которые образуются при сжигании.
Газообразное биотопливо

Газообразное биотопливо является результатом биохимических и термических процессов, вызывающих брожение животных и растительных отходов, которое сопровождается выделением горючего биогаза. Оптимальная производительность современной бродильной установки позволяет извлекать из одной тонны биомассы от 350 до 1300 м3 газа, Животная биомасса — наиболее перспективное сырьё для производства.

В состав биогаза входят метан и углекислый газ в пропорции примерно 4:1. Теплота сгорания одного куба соединения  в МДж/м3 равна 27 и аналогична по энергоэффективности  сжиганию 0,8 куба природного газа или трём килограммам брикетов из кизяка.

Очищенный от СО2 биогаз превращается в биометан, который ничем не отличается от природного газа. Содержание метана в ректификате приближается к 100%, что позволяет использовать биотопливо:
•как горючее для моторов внутреннего сгорания;
•в качестве средства газоснабжения жилья и производственных помещений;
•с целью получения тепла в котельных и электроэнергии на тепловых электростанциях

ВАЖНО!

Размещение мощностей для производства биогаза не требует климатических предпочтений и особой инфраструктуры.
Принцип работы биоустановки своими руками 
Принципы работы биоустановки своими руками для получения биогаза схожи с промышленным производством. В обоих случая необходимы:
•подогрев исходной биомассы для ускорения процесса брожения;
•перемешивание субстрата для удаления плотной корки, образующейся на поверхности и препятствующей выделению биотоплива(предпочтительней установить автоматику);
•контролирование уровня  кислотности, от которого зависит скорость химической реакции
 
Получение биотоплива при разложении сырья происходит в течение двух-трёх недель. Уровень отдачи в горючем колеблется в диапазоне 25-35% .

В Швеции, не имеющей своего природного газа, производство метана в домашней обстановке является обычным делом. В помощь мелким и крупным производителям биогаза государство создало Биоэнергетическую Ассоциацию, в которую вовлечены около 300 физических и юридических лиц, расширяющих и укрепляющих независимую энергетику страны.

Применение биотоплива

Применение биотоплива по мере развития производства продукта альтернативного производным нефти и природному газу распространяется  на многие сферы жизни, не требующие большого расхода горючего. Самая большая популярность у биогаза, который используется  в целях:

•обогрева небольших домов, дач, теплиц, промышленных помещений;
•ресторанного бизнеса и приготовления пищи в придорожных кафе;
•производства электрической энергии для мелких потребителей

Остатки переработанной биомассы  идут на изготовление компоста и натуральных удобрений для сельскохозяйственных нужд.

ПРИМЕЧАНИЕ!

Производство и применение БТ образуют замкнутый цикл, где в дело идут все компоненты процесса, начиная от сырья и заканчивая конечным продуктом. Парниковый эффект от выбросов газа в атмосферу отсутствует.

Энергия биотоплива для камина

Традиционный источник энергии биотоплива для камина — твердое БТ: дрова и каменный уголь. Каждый из материалов имеет свои  преимущества и недостатки. К преимуществам относится высокая теплоотдача и умеренный расход горючего, к недостаткам — риск отравления угарным газом, необходимость периодического удаления из топки грязи и копоти.
Обладая эквивалентной теплотворностью, биотопливо не имеет указанных недостатков.  Для экокаминов используется только БТ в виде этанола, при сжигании которого выделяется только вода и углекислый газ с минимальными следами сажи.
Пламя от горючего бесцветное. Чтобы придать естественность цвету, присущую твёрдому биотопливу, в этанол добавляются присадки, делающие огонь оранжевым и красивым. Для создания полного эффекта естественности в топку помещаются искусственные дрова, похожие на натуральные.
Биотопливо для транспорта
Биотопливо для автомобилей является альтернативой бензина и дизельного горючего. Для моторов бензиновых авто подходят метанол и этанол, для дизелей — биодизель. Данные виды БТ могу использоваться в чистом виде и как добавки к основному топливу.
Преимущества применения битоплива в двигателях:
• экологичность выхлопа — соответствие стандартам Евро-5 и Евро-6;
• увеличение срока эксплуатации двигателя и топливной системы за счёт отсутствия нагара на поршнях, цилиндрах, бензопроводах;
•сравнительно низкая цена относительно традиционных видов горючего
Недостатки:
•расход биотоплива на 100 километров выше, чем у бензина, экономия возможна только при использовании биотоплива как добавки;
•прогрев мотора зимой требует сравнительно большего времени;
•перед применением этанола, метанола и биодизеля топливную систему необходимо отчистить от нагара;
•недостаточное количество мест для заправки машины БТ
Самолёт на биотопливе уже тоже не редкость. В 2008 году из Нью Джерси в Париж британский борт совершил коммерческий рейс. Опыт оказался удачным. Реактивные двигатели были заправлены биогорючим, изготовленным на основе масла, выдавленного из рыжиков. В 2010-м Virgin Atlantic Airways Ltd., компания тех же британцев выставила в Германии, где проходил очередной Международный авиасалон судно, полностью заправленное БТ, произведённое из водорослей.

Заключение

На фоне растущих цен на нефтепродукты и природный газ перспективы у биотоплива огромны. Если оно войдёт в обыденную жизнь, люди получат возможность сэкономить на транспорте, продуктах, услугах ЖКХ — самых расходных статьях быта. Экологическая обстановка на планете тоже станет лучше.