Биотопливо

Пост опубликован: 21 августа, 2020

Биотопливо – граница между фотоном и электроном

Содержание статьи

Любое растительное масло или спирт, полученный путём сбраживания углеводистого сырья, и есть простейшее биотопливо. Но чтобы заправлять им автотранспорт, его преобразовывают и модифицируют. Однако это примеры биотоплива из первого поколения, а сейчас учёные работают над 5-ым поколением этой технологии.

Биотопливо – концептуальный взгляд

В принципе, любой энергоноситель который надо сжигать и есть биотопливо. Но в случае с полезными ископаемыми, вроде угля, нефти или газа, биомасса прошла чрезвычайно длительный путь превращения в энергоноситель. Современное человечество так долго ждать не может, поэтому учёные стараются ускорить этот процесс, или хотя бы коренным образом изменить его.

Так же как и с обычными энергоносителями, биотопливо может быть:

Твёрдым (дрова, пеллеты, древесный угль);
Жидким (биодизель, биоспирты и пр.);
Газообразным (светильная, пиролизная или газогенераторная смесь).

Технологии, которые сейчас популяризируются в частном сегменте, относятся к первому поколению. В промышленном масштабе, получают биотопливо по технологиям второго поколения. Но разницу между ними, преимущества и недостатки биотоплива, очень мало кто себе представляет. А это крайне скабрезная ситуация. Ведь разницу между истребителем 1-го и 5-го поколения знают школьники, хотя ни одного из самолётов даже не видели.

Первое поколение

Получение биотоплива из пищевого сырья было первой ступенькой. Используются сельхозкультуры с высоким содержанием жиров и углеводов. Например, из рапса, рыжика, подсолнечника выжимают масло, которое затем рандомизируется и на выходе получают биодизель, а из кукурузы, картофеля и зерна путём сбраживания и перегонки получают этанол.

Дополнительную полезную информацию в pdf файлах прикреплю в комментариях:

Лёгкость с которой эта технология вошла в мир, объясняется тем, что в ней используются уже возделываемые сельхозкультуры, и в оборот включаются развитые посевные площади.

Но обратная сторона медали открывает неприглядную картину роста цен на продукты питания и увеличение числа голодающих в мире. Ведь эти продукты, вместо использования в пищу, идут на переработку как техническое сырьё. Кроме того, по подсчётам Международного Энергетического Агентства, в глобальном масштабе для производства 1% автомобильного биотоплива, требуется 1% посевных площадей.

Да и эффективность этих технологий оставляет желать лучшего. В среднем, для производства биодизеля энергоёмкостью 3 джоуля, требуется потратить 2 джоуля энергии. В затратах учитывается полный сельскохозяйственный цикл (вспашка, засев, обработка и сбор урожая) и этап переработки.

Вот поэтому назрела необходимость дальнейшего развития технологии.

Второе поколение

Для получения биотоплива надо использовать непищевое сырьё – отходы деревообработки, корневую массу растений и даже отходы животноводства и пищевой промышленности. Возможность перепрофилирования сельскохозяйственных угодий в площади для возделывания энергетических культур вызывает серьёзные опасения даже в Совете Европы. Поэтому они приняли постановление, запрещающее с 2020 года производства биотоплива первого поколения.

Основа технологий второго поколения – биоуглерод. Прежде всего это целлюлоза и лигнин. В специальных реакторах они ферментируются, сбраживаются и из них производят:

Этанол;
Метанол;
Эфиры;
Многоатомные спирты, до октанола включительно;
Метан;
Водород.

В принципе, биотопливо рассматривается через призму использования его в двигателях внутреннего сгорания. А раз так, то и требования к биотопливу стандартизируются по характеристикам обычного бензина или дизеля.

Есть любопытные наработки в этом поколении. Например сухая перегонка сосновой древесины при определённых условиях, даёт на выходе смесь метилового спирта, скипидара и кетонов в такой пропорции, что этот продукт успешно заменяет бензин А-80.

Американская фирма Virent, разработала, запатентовала и уже несколько лет выпускает биобензин, который абсолютно ничем не отличается от бензина полученного из минерального сырья! Фактически этот продукт называется биогазолин, для его получения используют биомассу и специальные катализаторы, а сам процесс называется «BioForming».

Качество получаемого продукта настолько высокое, что бензин Virent прошел всесторонние испытания, в том числе в ходе успешного исследования «безвредности» на дюжине автомобилей в Великобритании, проведенного фирмой Shell. Бензин Virent также использовался в соревнованиях F1 командой Scuderia Ferrari Formula 1. Бензин Virent также получил регистрацию EPA Part 79.

Кроме биобензина, фирма выпускает биодизель и биореактивное топливо.

Проблема, которую решают процессы биотоплива второго поколения, заключается в извлечении полезного сырья из этой древесной или волокнистой биомассы, где полезные сахара заблокированы лигнином, гемицеллюлозой и целлюлозой.

Все растения содержат лигнин, гемицеллюлозу и целлюлозу. Эти сложные углеводы (молекулы на основе сахара) сначала «освобождаются» от связей, потом ферментируются и из них производят спирты, эфиры и кетоны.

У этой технологии есть как положительные так и отрицательные стороны. Преимущество заключается в том, что земли сельхозназначения не выводятся из цикла выращивания продовольственных культур. Биомасса для технологий второго поколения если и получается с пахотных земель, то лишь как побочный продукт фактического урожая, или же выращивается на маргинальных землях, на которых не получается эффективно возделывать продовольственные растения. В большинстве случаев, при выращивании не используются ни удобрений, ни дополнительного полива.

Отрицательным моментом в этой технологии является сложность переработки сырья. Требуются более высокотехнологичные реакторы и системы подготовки биомассы.

Третье поколение

Его основа – аквакультуры и вообще водоросли. Урожайность мельчайших водорослей почти в 100 раз превышает самую продуктивную сельскохозяйственную культуру. Если учитывать что для этого не требуется активного участия человека, то направление кажется очень перспективным.

В различных видах водорослей содержится до 77% жирных масел (от сухого веса), которые идут на производства биодизеля. Остаток (жмых) может ферментироваться, сбраживаться и идти на получение спиртов и эфиров.

Есть несколько проектов коммерцилизации этой технологии, которые с переменным успехом развиваются в США. Но для максимальной эффективности, требуется постоянная положительная температура и много солнечного света. Поэтому такая технология не подходит для стран с суровым климатом. Хотя и в этом правиле есть исключения. Например в Гамбурге построили здание, фасадная часть которого покрыта фотобиореактором с сине-зелёными водорослями. Из этих водорослей планируется получать биотопливо для энергетических нужд объекта. Так как объект построен по технологии «Умный дом», то все процессы получения энергоносителя из водорослей автоматизированы.

Технология получения биотоплива из водорослей новая, поэтому в ней заложены множество вариантов революционных улучшений на всех этапах, от выращивания, до модификации сырья в готовый продукт. В США с 2013 года на рынке реализуются разные виды биотоплива полученного из водорослей.

Хотя водоросли не занимают пахотные земли, не влияют на стоимость продуктов питания, а их выращивание гораздо меньше отражается на окружающей среде, в этой технологии есть некоторые изъяны. В частности биодизель из водорослей не снижает текучесть при низких температурах. В некоторых ситуациях это может создавать проблемы при заправке автомобилей. А недостаточно широкое распространение методики, ещё не вывело этот вариант получения топлива на конкурентноспособный уровень цен (по сравнению с нефтью).

Тем не менее, многие страны вкладывают большие средства в продвижение технологий третьего поколения. Например США выделили 600 млн. долларов с 2013 по 2018 года на эти цели, а Индия вложила 50 крор индийских рупий для практическое реализации на нескольких объектах.

Четвёртое поколение

Биомасса в любом случае требует дополнительной переработки, и часто затраты на этот этап производства биотоплива очень высоки. Поэтому появилась идея «заставить» микроорганизмы напрямую синтезировать нужные углеводороды из солнечного света, углекислого газа и воды – это и есть концепция четвёртого поколения.

Технология только разрабатывается на лабораторном уровне. О выходе на коммерческий рынок пока не идёт речи. Но какие-то положительные успехи уже достигнуты.

Генетически модифицированные цианобактерии позволяют изменить направление развитие данных микроорганизмов. В преобразованном состоянии они уже функционируют не для того чтобы максимально заполнить окружающее пространство, а для выработки нужных энергоносителей: метана, водорода, жиров.

Эффективность такого преобразования вообще не может быть сопоставлена с циклом первого поколения. Даже по самым скромным оценкам, она в 50-100 раз более эффективно запасает солнечную энергию.

Пятое поколение – взгляд в будущее

Пока это только прорабатываемые концепции, которые тем не менее щедро финансируются правительствами западных стран (в основном США). Дело в том, что эффективность связывания солнечного света в той же кукурузе через фотосинтез, с последующей переработкой в этанол, не превышает 0,2%. А теоретический максимум энергоэффективности фотосинтеза вообще не превышает 5%.

Поэтому задача стоит в том, чтобы вообще отойти от фотосинтеза!

Предположительно это будет такое устройство, которое поглощает из воздуха углекислый газ и водяные пары, а используя солнечную энергию, преобразовывает эти вещества в углеводородное топливо.

Фантастика? Очень нереальная задача, но серьёзное финансирование этим разработкам выделяет министерство обороны США. Дело в том, что доставка топлива для своих войск в некоторые районы Афганистана поднимает его цену до 130 долларов за литр. А на самых отдалённых базах, себестоимость дизтоплива оценивается в 300 долларов за литр! Учитывает и тот факт, что около 70% потерь в технике и живой силе отмечается именно при нападениях на топливные конвои и подрывы автоколонн.

Даже если по результатам работ биотопливо пятого поколения будет обходиться по 25-40 долларов за литр, оборонное ведомство США сочтёт такой вариант более рациональным.

Ретроспективное сравнение и ожидаемые перспективы

Однажды министр нефтедобычи Саудовской Аравии, шейх Ахмед Закия Мани высказал очень глубокую мысль:

«Каменный век закончился не потому что закончились камни, и бронзовый век закончился не потому что закончилась бронза. Нефтяной век закончится раньше чем закончится нефть, потому что будут найдены новые варианты обеспечения энергий».

В среднем, сейчас производство биотоплива в мире увеличивается на 7-8% в год. Россия входит в тройку лидеров экспортёров биотоплива. Но к сожалению это всего лишь пеллеты, которые изготавливаются из отходов лесозаготовок. А в остальном мире, Евросоюзе, США, странах Южной Америки и Юго-Восточной Азии, практически на каждой заправке можно залить в топливный бак биобензин или этанол, или 100% смесь углеводородов полученных из альтернативных источников.