4.1.8. Синтетические топлива
В газификаторах, использующих кислород вместо воздуха, можно получать газ, состоящий преимущественно из H2, CO и CO2. Представляет интерес то обстоятельство, что после удаления СО2 можно получить так называемый синтез-газ, из которого в свою очередь можно синтезировать практически любое углеводородное сырье. В частности, при взаимодействии Н2 и СО получается чистый метан. Другим возможным продуктом является метанол – жидкий углеводород с теплотворной способностью 23 ГДж/т. Производство метанола требует организации сложного химического процесса с высокими температурами и давлением и дорогого оборудования. Несмотря на это, интерес к производству метанола объясняется тем, что он представляет собой ценный продукт – жидкое топливо, способное непосредственно заменить бензин. В настоящее время производство метанола с использованием синтез-газа не является коммерческим. Однако технология существует для использования угля в качестве сырья. Она была развита странами, имеющими большой угольный потенциал, в периоды перебоев с поставками нефти. [4]. Разработан процесс ожижения растительной биомассы методом гидрогенизации при 350 °C под давлением водорода при 6,4 МПа. Из 1 т биомассы получают 24 кг синтетической нефти и 160 кг остатка типа асфальта.[6]. Одним из методов получения жидких моторных топлив является термическое растворение древесины в нефтяных фракциях при 380–450 °C под давлением 10,0 МПа. При этом происходит ожижение древесины.[4–6] В США имеется экспериментальная установка, где из 1000 кг древесной щепы получается 300 кг топлива типа сырой нефти. Процесс ведут при давлении 28 МПа и температуре 350–375 °C. В качестве катализатора применяют карбонат натрия.[4–6]
В ряде стран (Италия, ФРГ, Аргентина и др.) созданы специальные энергетические плантации быстрорастущих пород древесины и других пород на землях, не пригодных для сельского хозяйства.
Плантации ивы в Швеции на заболоченных землях дают 25 т древесины с 1 га в год. Сбор древесины осуществляется через 2 года специальными комбайнами в зимнее время года, когда заболоченная земля замерзает. С 1 млн. га получается 15 млн. т древесины в виде сухого древесного топлива, что эквивалентно 20 % энергии, необходимой для этой страны.
В рамках Западноевропейской программы развития возобновляемых энергоресурсов в Италии пущен крупный биоэнергетический комплекс, рассчитанный на ежегодную переработку 300 тыс. т быстрорастущей биомассы и органических отходов. Помимо газа и тяжелых остатков будет получено 20 тыс. т жидкого топлива. В Германии имеются большие плантации рапса, из которого получают смазочные масла и дизельное топливо.
4.2. Биотехнологии
К биотехнологиям относятся такие процессы, как: биогазовые технологии; производство этанола, бутанола, изобутанола; получение биодизельных топлив, жирных кислот, растительных углеводородов; производство биоводорода, получение тепловой энергии.
4.2.1. Биогазовые технологии
Биогаз – смесь метана и углекислого газа – продукт метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения, осуществляемого специфическим природным биоценозом анаэробных бактерий различных физиологических групп. Метановое брожение протекает при температурах от 10 до 55 °C в трех четко определенных диапазонах: 10…25 °C – психрофильное; 25…40 °C – мезофильное; 52…55 °C – термофильное; влажность составляет от 8 до 99 %, оптимальная 92–93 %.
Содержание метана в биогазе варьируется в зависимости от химических свойств сырья и может составлять от 50 до 90 %. В зависимости от природы исходного сырья изменяется и выход биогаза: от 200 до 600 л на 1 т абсолютно сухого вещества.
К настоящему времени разработано и применяется множество технологий получения биогаза, основанных на использовании различных вариаций температурного режима, влажности, концентраций бактериальной массы, длительности протекания биореакций.
4.2.2. Биогаз полигонов ТБО (свалочный газ)
Большая часть муниципальных отходов – твердых бытовых отходов (ТБО) – представляет собой биологические материалы, а их вывоз на полигоны создает пригодные условия для анаэробного сбраживания. ТБО имеют более сложный состав, чем сырье в биогазовых установках. Сбраживание происходит медленнее, обычно в течение нескольких лет, а не недель. Конечный продукт, известный под названием "свалочный газ", также представляет собой смесь преимущественно CH4 и CO2. Теоретически выход газа в течение "жизни" полигона может составить 150–300 м3 на тонну ТБО при концентрации метана от 50 до 60 объемных процентов. Это соответствует 5–6 ГДж энергии на тонну ТБО. На практике выход биогаза меньше.
Все больше свалочный газ используется для производства электроэнергии. В настоящее время большинство установок использует двигатели внутреннего сгорания, например, стандартные судовые двигатели. При типичном выходе газа, равном 10ГДж/час, могут быть установлены двигатель и генератор мощностью 500 кВт.[4–4].
4.2.3. Производство этанола
Этанол, а также другие низшие спирты, альдегиды и кетоны – продукты спиртового брожения разнообразных сахаро- и крахмалосодержащих субстратов. Однако наиболее распространенными видами сырья для производства этанола являются отходы сахарного производства: багасса или меласса (сахарная свекла), а также крахмал кукурузы, сорго, картофеля, пшеницы и риса. В России этанол получают также при брожении гидролизатов древесины (целлюлозы).
Наиболее значительный интерес в мире к жидким биотопливам (особенно к этанолу) для использования на транспорте появился в период с 1970 по 1990 г. и обязан этим высоким ценам на нефть. Однако и в настоящее время в развивающихся странах он имеет тенденцию к продолжению вследствие экологических проблем [4–3].
В некоторых странах этанол в чистом виде или в смеси с бензином (газо-хол) широко применялся в 70-е годы для двигателей внутреннего сгорания.
Наиболее значительный интерес в мире к жидким биотопливам (особенно к этанолу) для использования на транспорте появился в период с 1970 по 1990 г. и обязан этим высоким ценам на нефть. [4–7].
В последние годы разработаны технологии получения биоэтанола из синтез-газа, что значительно расширяет сырьевые возможности от лигноцеллюлозы до угля. Эти технологии включены в производственную цепочку получения углеводородов – биокеросина и биобензина.
Продуктивность 1 акра пашни по этанолу в США:
1 акр кукурузы = 150–300 бушелей кукурузы = 420–840 галлонов (1.9 – 3.8 куб. м) этанола.
2) 1 акр травы = 5-15 тонн растительного материала = 1501200 галлонов (0.7 – 5.5 куб. м) этанола.[8].
4.2.4. Биодизельное топливо
Биодизельное топливо имеет те же характеристики, что и обычные дизельные масла, которые могут использоваться в дизельных двигателях. Биодизельное топливо может быть получено из любого маслосодержащего растения – семян рапса, сои, кактусов и т. д… Преимущество биодизельного топлива состоит в том, что его производство основано на широко известных технологиях получения растительных масел с их дальнейшим метилированные и растительных углеводородов.
В 80-е годы возрос интерес к растительным углеводородам. Как правило, эффективные продуценты углеводородов и масел являются представителями тропической и субтропической флоры. Однако и в умеренном климате имеются культурные растения, семена которых содержат значительные количество масел, – подсолнечник, конопля, лен, рапс и др.
4.2.5. Получение тепловой энергии активным компостированием (микробное окисление)
Использование этого метода для утилизации твердой биомассы и, прежде всего, твердых органических отходов также может внести существенный вклад в энергетику, в частности, в производство тепловой энергии. Метод основан на процессе бактериального окисления твердых органических веществ с образованием тепловой энергии, которая повышает температуру пропускаемого воздуха до 80…90 °C. Путем компрессии температуру выходящих газов можно поднять до 110 °C. В некоторых странах, например, в Японии, разработаны опытно-промышленные установки КПД которых достигает 95 % [4–2].
К 2030 году потребление энергии в мире вырастет на 60 % [4–9]. Эта тенденция потребует увеличения производства различных видов энергоносителей и их источников.
Одна из особенностей решения этой проблемы в ХХI веке состоит в том, что энергопроизводство должно быть экологически чистым.
Все вышесказанное потребует увеличения вклада биомассы в общий энергобаланс.
4.3. Химико-каталитическая конверсия продуктов расщепления растительных полимеров в жидкие углеводороды
4.3.1.Применение биотоплива в авиации
15 июля 2011 г. немецкая авиакомпания Lufthansa запустила первый коммерческий рейс по маршруту Гамбург – Франкфурт – на – Майне на смеси традиционного керосина и биотоплива, произведенного финской компанией Neste Oil. Использование биотоплива NExNTL стало возможным в авиации после 1 июля 2011 г., когда данный вид топлива был одобрен ASTM International – Американским обществом испытаний и материалов.[4-10].