На втором этапе из бутена получают алкеновые олигомеры. Авторы методики утверждают, что ее использование возможно в промышленных масштабах и не требует особенно сложного оборудования или катализаторов.
Об актуальности исследования говорит то, что до сих пор из биомассы чаще всего получают лишь этанол и другие низшие спирты. Они в больших объемах могут добавляться в бензин, не изменяя свойств и достоинств автомобильного топлива, однако совершенно не могут использоваться как авиатопливо из-за низкой энергоемкости. Кроме того, и для автомобилей спирты могут служить лишь добавкой к акантовому (углеводородному) топливу. А вот углеводороды, производимые из гамма-валеролактона, практически, эквивалентны используемым в современной инфраструктуре (с той разницей, что алканы – углеводороды насыщенного ряда, а алкены – ненасыщенного, и для получения алканов их нужно гидрировать). До сих пор наибольшую проблему для внедрения нового топлива представляла высокая цена гамма-валеролактона, так как методики его получения были дорогими и несовершенными. Теперь ученые работают над созданием более эффективных и простых методик его промышленной выработки. В качестве сырья для получения данного эфира рассматриваются такие биологические объекты, как древесина, стебли и листва кукурузы, прутьевидное просо и другая непищевая биомасса. «Как только будет найден эффективный способ промышленного синтеза гамма-валеролактона, путь к неограниченному получению возобновляемого авиатоплива будет полностью открыт», – заключают авторы работы.
4.3.2. Применение биотоплива в других видах транспорта
В мире существует три лидера по использованию жидкого моторного биотоплива: Бразилия, США и Европейский Союз. И каждый имеет свои мотивы перевода транспорта с бензина на биодизель или биоэтанол. Бразилия использует этанол из сахарного тростника, чтобы не зависеть от импорта нефти.
В США распространяется этанол из маиса (кукурузы), для того чтобы поддержать местное сельское хозяйство, с одной стороны, а с другой – улучшить состояние окружающей среды.
Европейский Союз, внедряя новые биотопливные технологии, преследует сразу несколько целей: ликвидация зависимости от импорта нефти, предотвращение глобального потепления климата, выполнение обязательств по Киотскому Протоколу, а также развитие сельского хозяйства. В 2010 году ЕС намерен использовать биотопливо в 5,75 % автомашин. К 2020 году эта цифра должна увеличиться до 8 %. Пока доля моторного биотоплива в странах Европейского Союза – порядка 2 %.
Таблица 4-1
Прогнозы ЕС по замене биотоплива
В последнее время начали бурно обсуждать новый вид биотоплива: BtL (Bio-mass-to-Liquid). BtL производят из древесины и отходов деревообработки (промежуточный продукт: син-газ). Преимущество этого вида топлива перед биоэтанолом и биодизелем состоит в том, что, в отличие от упомянутых продуктов, при производстве BtL древесина полностью перерабатывается.
В то же самое время BtL может производиться из любого вида биомассы, к тому же, по заявлению производителей этого топлива, для перевода автомобилей на него не требуется модификация современных двигателей.
По оценке немецких ученых, если BtL займет 20 % рынка ЕС, то в Европе можно уменьшить выбросы CO2 на 200 млн тонн. С другой стороны, в Германии, например, наиболее популярным видом биотоплива остается пока биодизель. В 2004 году немцы произвели 1,1 млн тонн биодизеля (в основном из рапса). 323 тысяч тонн было продано в самой Германии. Для сравнения, потребление обычного дизеля в этой стране составляет 30 млн тонн в год.
Топливные компании (Shell, Total, Neste) и автомобильные гиганты со всего мира (DaimlerChrysler, Volkswagen, Volvo (Ford) открывают программы по переводу автомобилей с традиционного топлива на возобновляемое.
DaimlerChrysler сейчас активно говорит о внедрении в своих автомобилях биотоплива – BtL. Ford недавно заявил о начале продажи в Швеции нового поколения Focus и Focus C-MAX 1.8 в версии FFV на биотопливе. FFV могут ездить как на биоэтаноле, так и на бензине.
General Motors уже продает в Швеции “экологичные” версии моделей Saab и Opel. Обе модели также могут работать на биоэтаноле (который содержит 15 % бензина), на бензине и на смеси этих видов топлива в любой пропорции.
4.4. Получение моторных топлив из газов [4-16]
До середины XIX в. человечество использовало в качестве теплоносителя для бытовых и промышленных целей (металлургия, паровые машины и др.) почти исключительно биомассу растений и продукты ее переработки (древесный уголь).
При использовании в качестве энергоносителя газа, нефти и угля возникает ряд проблем, связанных с ограниченными запасами горючих ископаемых, в особенности нефти. Помимо истощения запасов нефти важными проблемами являются перевозка на большие расстояния и хранение всех видов топлив.
В Норвегии применяются передвижные установки на лесосеках, где перерабатываются растительные отходы методом пиролиза. Производительность отдельной установки от 10 до 30 т древесного угля в сутки [4-16]. При пиролизе из 1 т отходов (щепа) получается 280 кг угля, 200 кг смолы пиролиза и около 222 кг газообразного топлива. Газообразное топливо используется для поддержания процесса пиролиза. Смола пиролиза применяется как котельное топливо или подвергается гидрооблагораживанию под давлением водорода для получения бензина и дизельного топлива. Стационарные установки пиролиза могут иметь до 40 печей и рассчитаны на переработку 300–350 тыс. т органических отходов в год [4-16].
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 [16].
В рамках Западно-Европейской 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.
В Латинской Америке, США и Франции из биомассы (отходов сахарного тростника, кукурузы и др.) получают этанол, используя обычно процессы брожения. В Бразилии получается более 10 млн. т этанола, который применяют как основное топливо для автомобилей (96 %-ный этанол) или в смеси с бензином – топливо “Газохол” (22 % этанола с 78 % бензина). В США из кукурузы получают более 3 млн. т этанола, который применяют в качестве добавки к бензину (5—10 %) для повышения октанового числа и улучшения процессов сгорания.
Для использования в моторных топливах предложены производные метанола и этанола, которые не координируют аппаратуру, безвредны, хорошо смешиваются и имеют высокие антидетонационные свойства [4-16]:
В настоящее время в качестве добавки для повышения октанового числа используют метилтрет-бутиловый эфир.
Разработан новый процесс синтеза нормальных парафинов и изопарафинов, а также олефинов из нового типа исходного сырья – растительной биомассы. Биомасса превращается газификацией воздухом в генераторный газ, содержащий оксид углерода и водород. В газе содержится около 50 % азота, поэтому синтез из такого газа компонентов моторных топлив состава С5 – С22 является принципиально новым. Ранее во всех технологических процессах (Фишера – Тропша, Сасол, Мобил) применяли концентрированный газ, состоящий только из СО и Н2.
Парафиновые углеводороды неразветвленного строения являются хорошими компонентами дизельных топлив. Для производства высокоцетановых моторных топлив [4-16] желательно смешение фракций синтетических парафинов с цетановым числом 77–90, полученных по методу Фишера – Тропша с дизельными фракциями нефти или продуктов гидрогенизации угля, которые имеют цетановое число 40–50.
Продукты синтеза, полученные посредством газификации биомассы, могут заменить нефтехимическое сырье.
Жидкие олефиновые углеводороды, которые получаются при синтезе, могут найти применение, помимо топливного назначения, для производства синтетических моющих средств. Из фракции углеводородов С2-С22, полученной биомассы, в процессе пиролиза на ванадиевом катализаторе могут быть получены этилен, пропилен и бутилены [4-16]. При каталитическом пиролизе образует до 40–50 % этилена и 6065 % суммы газообразных олефинов на исходное сырье. Проверка этого процесса в опытно-промышленных условиях [4-16] показала что в зависимости от применяемого сырья этилен образуется с выходом от до 40 % и олефины 60–65 %. При термическом пиролизе выход этилена обычно не превышает 25–26 %.