биотопливо и перспективы его использования в России

Заключение
Сокращение запасов и нестабильность цен на ископаемые виды топлива, которые являются также и ценным сырьём для химического синтеза, делают всё более актуальной тему использования возобновляемых ресурсов. Несомненно, что низкокачественная древесина и отходы деревообработки являются одним из основных возобновляемых источников энергии для России. Энергетическое использование данного нереализованного потенциала древесной массы уже сейчас позволяет заменить более 10% внутреннего энергопотребления без нарушения баланса экосистемы. Ежегодное количество только отходов деревообрабатывающих предприятий России составляет более 70. Кроме того, в нашей стране примерно 22-25 миллионов людей живут в отдалённых районах, не связанных с центральной энергетической системой, или в местах, где ...

Оглавление
Введение 1
Биотопливо 4
Твердое биотопливо 5
Биодизель 7
Биобутанол. 8
Биогаз 9
Заключение 14
Список литературы 15

Введение
В наши дни становится очевидной ограниченность традиционных источников энергии, базирующихся на нефти, природном газе и угле. Поиск новых источников энергии — актуальная проблема как для современной России, так и для всего мира. Существенную и все возрастающую роль в мировой энергетике начинают играть альтернативные источники энергии, основанные на использовании биоэнергии сырья различной природы. При правильном подходе биотопливо может стать фактически неиссякаемым источником энергии.
Производство брикетированного топлива начиналась с прессования полезных ископаемых типа угольной пыли и торфа. В нашей стране заводы по производству топлива из отходов древесины начали строиться в начале этого века. Сейчас стремительно растет число малых деревоперерабатывающих предприятий, объ емы перерабатываемой древесины увеличиваются с каждым годом. Также растет число заводов, перерабатывающих отходы древесины в топливо. Однако, специализированное оборудование, предназначенное для переработки сыпучих древесных отходов в топливо, как правило зарубежное, весьма дорогостоящее и требует так же дополнительных затрат, связанных с его обслуживанием.
В XIX веке быстрые темпы развития науки и техники привели к тому, что перед изобретателями различных двигателей встал вопрос о качественном топливе, которое обеспечивало бы работу новых механизмов. Первоначально более перспективным казалось использование именно биотоплива, которое применяли многие известные изобретатели и промышленники той эпохи.
Такие вложения рентабельны для большинства средних и мелких деревоперерабатывающих предприятий. В настоящее время наметилась тенденция переоборудования линий, применяемых в сельском хозяйстве для производства гранулируемых комбинируемых кормов, в целях получения древесного топлива. В их состав обычно входят: барабанная сушилка с конвейером загрузки, мельница для измельчения, накопитель, пресс, охладительная колонка. При установке специализированной матрицы повышенной прочности, необходимой перенастройки сушильного барабана и включении в линию второй дополнительной мельницы, комплекс способен гранулировать. Сокращение запасов и нестабильность цен на ископаемые виды топлива, которые являются также и ценным сырьём для химического синтеза, делают всё более актуальной тему использования возобновляемых ресурсов.
Одним из первых изобретателей, который использовал биотопливо, был Сэмюель Мори. В 1826 году он предложил модель двигателя, который работал на спирте и скипидаре. Немецкий изобретатель Николас Отто в 1876 году создал первый в мире четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, работавший на этаноле. Слово «дизель» давно стало нарицательным. Немецкому инженеру-изобретателю Рудольфу Дизелю человечество оказало высокую и довольно редкую в истории техники честь, начав писать его имя со строчной буквы и называя так созданный Р. Дизелем поршневой двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Р. Дизель предложил тип мотора, использующего в качестве топлива арахисовое масло, и продемонстрировал его работу на Всемирной выставке в Париже в 1900 году. Американский изобретатель Генри Форд изготовил в 1896 г. свой первый автомобиль. Он носил название «Квадрицикл» (Quadricycle), двигатель которого работал на спирте. А в 1908 г. Форд выпустил в продажу знаменитую «Модель Т» — первый в истории массовый автомобиль, который мог работать на бензине, этаноле и смеси обоих видов топлива. Форд использовал этанол, исходя и из экономических соображений: он считал, что «спиртовое» автомобилестроение предоставит фермерамвозможность использовать при эксплуатации автомобилей дешевое топливо. В начале ХХ века на планете были обнаружены значительные запасы нефти, объемы ее добычи увеличивались, бензин дешевел. Это определило потерю интереса к биотопливу.
Вскоре спирт подешевел, поскольку его начали изготавливать из отходов сахарной промышленности. Этанол как топливо активно использовался многими странами мира во время Первой мировой войны (1914–1918 гг.). Уже после окончания войны, в 20-х годах, в Соединенных Штатах и многих европейских странах получают распространение смеси бензина и спирта. В течение многих последующих лет этанол упорно пытался вытеснить бензин с господствующих позиций, но почти всегда проигрывал ему, окончательно исчезнув с рынка лишь после Второй мировой войны. В современной истории интерес к альтернативным источникам энергии возник более 30-ти лет тому назад, в связи с введением в начале 1970-х годов странами ОПЕК эмбарго на поставку нефти в США и Западную Европу. Судя по оценкам экономистов, расширение биотопливной индустрии становится экономически привлекательным, если мировые цены на нефть превышают 30–40 долларов за баррель. Надо заметить, что на сегодняшний день цена нефти уже превышает 100 долларов за баррель. Кроме того, общеизвестно, что ископаемые углеводороды — богатейшее сырье, и лучше производить из него массу полезных вещей, чем сжигать в двигателях внутреннего сгорания и в различных топках. Ведь еще Д.И. Менделеев писал, что сжигать нефть — это все равно что топить печь ассигнациями.

В глобальном масштабе роль источников альтернативной энергии пока еще очень мала.Если в эту установку включить два отделяющих пресса немецкого производства КК40Ф «Универсал», то она способна обеспечить рапсовым маслом пять-шесть фермерских хозяйств общей площадью пашни до 1500 га. Если же вести речь о производстве из рапсового масла дизеля, то в ЦЧЗ можно выделить Липецкую область, где пять липецких холдингов планируют строить завод дизельного топлива с мощностью переработки 120 тыс. т. рапса в год. Надо отметить, что заводы по производству дизеля являются очень дорогостоящими и без предоставления долгосрочных льготных кредитов и строительство является проблематичным. В заключении отметим, что для повышения урожайности необходимо совершенствовать технологии выращивания озимого иярового рапса, важное значение имеет защита посевов от вредителей и болезней, из-за неравномерного созревания семян требуют улучшения процессы дозревания семян, их сушка.К настоящему времени производство биотоплива в развитых странах фактически вступило в третий этап своего развития. На первом этапе, с 80-х годов и до конца XX века, в центре внимания науки и бизнеса находилось производство биогаза. Второй этап производства биотоплива начал формироваться в начале XXI века. Он заключался в производстве жидкого моторного топлива в виде биоэтанола и биодизеля, соответственно из зернового, сахаросодержащего и масличного сырья. На смену второму этапу уже идет третий, характеризующийсяпереходом к производству жидкого биотоплива в виде биобутанола, бионефти и других продуктов горения. Биотопливо — это большой набор продуктов, синтезируемых химическими и биотехнологическими методами из природного сырья. Так, биоэтанол (этиловый спирт) — продукт ферментации крахмала и целлюлозосодержащего сырья; биогаз (смесь метана и двуокиси углерода) — продукт конверсии различных органических веществ, в первую очередь — разнообразных отходов; биобутанол — продукт конверсии биомассы с получением смеси бутанола, ацетона и этилового спирта (соотношение компонентов может быть смещено в сторону бутанола); биодизель — продукт химического превращения растительных масел в метиловые (или этиловые) эфиры жирных кислот; пеллеты (топливные гранулы) — продукт таблетирования древесины; бионефть — продукт термически инициируемых превращений. Увеличение числа машин с двигателями внутреннего сгорания привело к существенному ухудшению экологической обстановки в ряде городов. Например, в городе Воронеже автотранспортными средствами выбрасывается в атмосферу 130 тыс. т загрязняющих веществ в год, что составляет 90% от валового выброса всех загрязняющих источников воздуха. Известно, что более сильным загрязнителем воздуха являются дизельные двигатели, в продуктах сгорания этого топлива имеется значительное количество веществ из «Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева», так как дизельное топливо при перегонке нефти выделяется только после эфира, бензина, керосина, лигроина. Карбюраторные двигатели работают на бензине. Также работают на сжиженном газе, это топливо состоит в основном из углерода и водорода, что значительно чище дизтоплива, но для повышения степени сжатия в камере сгорания до 10– 12 атм., в бензин добавляют в качестве конденсатора тетраэтилсвинец, который оказывает вредное воздействие на окружающую среду и способен накапливаться в растениях. Опыт показывает, что переход на топливо значительно снижает выброс вредных веществ.Различают твердое биотопливо (дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга), жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, биоэтанол, биодизель, биобутанол) и биотопливо газообразное (биогаз). Рапс неприхотливая культура (масса 1000 семян ярового рапса составляет 2,6–5,0 г), высевается на глубину 2–3 см, норма высева семян рапса – 10–15 кг/га или 2,5– 3,0 млн. всхожих семян на га. Способ посева – сплошной рядовой, с междурядьями 12 см. Молодые растения способны переносить кратковременные заморозки до минус 3–50 С, взрослые – до минус 80 С. В семенах ярового рапса содержится 4048% масла, состоящего в основном из ненасыщенных (т.е. жидких) жирных кислот, из которых олеиновая составляет 60–70%. Рапс является прекрасным возобновляемым энергетическим ресурсом. Процесс производства дизельного топлива из растительного масла считается относительно несложным. В очищенное от механических примесей масло добавляют метиловый спирт и щелочь, которая служит катализатором реакции. Установлено, что из 1 т семян рапса можно получить 300 кг рапсового масла, а из этого количества масла – около 270 кг дизельного топлива и 30 кг глицерина, из которого производятся моющие средства, жидкое мыло и фосфорные удобрения. Дизель по продуктам сгорания значительно чище дизельного топлива из нефти: выброс сажи меньше на 50%, оксида углерода (СО) – на 10–12%, чем при использовании дизельного топлива. Структура прогнозируемой сырьевой базы для производства дизельного топлива в странах ЕС к 2010 г. следующая: рапсовое масло – 63%, животные жиры –9%, подсолнечное масло – 8%, отработанное жарочное масло – 5%, импорт – 13%, другие – 2%.Твердое биотопливо Надо отметить, что темпы производства топлива в мире очень высокие. Если в 1995 г. мировое производство топлива составляло 408 тыс. т в 2000 г. – 893 тыс. т в 2005 г. – 3824 тыс. т, а по прогнозу на 2020 г. – 23 в год. Начиная с 2008 г. в ряде Европейских стран планируется переход автотранспорта на дизель (этиловый эфир рапсового масла). Согласно требованиям стандарта Евро-3 допускалось содержание серы в топливе 350 ррт (2008 г.), в 2010 г. планируется переход на Евро-4 содержание серы всего 50 ррт, а в 2014 г. при освоении стандартов Евро-5 допускается наличие серы 10 ррт. Уменьшение серы предусматривается и в минеральном дизельном топливе, при снижении содержания серы в дизтопливе заметно снижаются его смазывающие свойства высокоточных плунжерных пар, топливной аппаратуры, поэтому потребуются либо специальные дорогостоящие присадки, либо эфиры растительных масел (дизель), улучшающие смазывающие свойства минерального дизельного топлива. К переходу на новые стандарты по топливу готовятся и изготовители техники. В настоящее время в технической характеристике западноевропейской техники зачастую указывается, что она способна работать на топливе. Складывающаяся тенденция показывает, что потребность европейских стран в рапсе, рапсовом масле будет только расти. Для российских производителей и перерабатывающих предприятий открывается широкие возможности экспорта семян рапса или рапсового масла для производства дизеля. Посевы рапса могут составлять 20–25% в структуре посевных площадей. В Германии считается оптимальным иметь 12–17%, но не менее 10% посевов рапса в структуре посевных площадей, это дает возможность применять широкозахватные комбинированные агрегаты при обработке почвы и посеве семян.Сжигание дерева с целью получения тепла — один из древнейших методов использования возобновляемого источника энергии. В настоящее время различные страны проводят эксперименты по выращиванию энергетических лесов для производства биомассы. На больших плантациях выращиваются быстрорастущие деревья: тополь, акация, эвкалипт, ива и другие. Испытано около 20 видов растений. Быстрорастущая ива признана в Европе самым энергоемким растением для получения биогорючего. Среднегодовой ее урожай может достигать до 10–15 тонн древесины с гектара. Однократно заложенная плантация может быть использована для получения 3–4 урожаев ивы. В России на дрова и биомассу в основном идет древесина, не подходящая по качеству для производства пиломатериалов. В последнее время в Европе и США широко используются топливные гранулы. Топливные гранулы пе́ ллеты (от англ. pellets) — это еще одна разновидность твердого биотоплива. Они имеют форму цилиндрических или сферических гранул диаметром 8–23 мм и длиной 10–30 мм. Топливные брикеты или гранулы представляют собой прессованные изделия из древесных отходов (опилок, щепы, коры, тонкомерной и некондиционной древесины, порубочные остатки при лесозаготовках), соломы, отходов сельского хозяйства (лузги подсолнечника, ореховой скорлупы, навоза, куриного помета) и другой биомассы. В настоящее время в России производство топливных гранул и брикетов экономически выгодно только при больших объемах. Древесная щепа производится путем измельчения тонкомерной древесины или порубочных остатков при лесозаготовках непосредственно на лесосеке или отходов деревообработки на производстве при помощи рубительных машин (шредеров). Целлюлозу можно считать перспективным сырьем для производства этанола в больших объемах. Гидролиз целлюлозы — наиболее перспективный метод химической переработки древесины, так как в сочетании с биотехнологическими процессами позволяет получать кроме топлива для автомобилей еще и разнообразные продукты для технических целей. Также сырьем для получения биотоплива могут быть различные отходы сельского и лесного хозяйства: пшеничная и рисовая солома, стебли сахарного тростника, древесные опилки и т.д. Необходимо отметить, что в процессе производства биоэтанола могут быть получены дополнительные продукты, такие как барда — источник кормов для животных, и глютен — белок, ценный для пищевой промышленности Наиболее известным с давних времен является способ получения биоэтанола с помощью спиртового брожения органических продуктов, содержащих углеводы (виноград, плоды и т.п.) под действием ферментов дрожжей и бактерий. Современная промышленная технология получения этилового спирта из пищевого сырья включает три стадии. 1. Подготовка и измельчение крахмалистого сырья — зерна (прежде всего ржи, пшеницы), картофеля, кукурузы и т.п. 2. Ферментация. Большинство спиртовых производств мира не используют дрожжи для ферментативного расщепления крахмала до спирта. Для этих целей применяются рекомбинантные ферменты α-амилазы и полученные биоинженер­ ным путем иммобилизованные ферменты — глюкамилазу, амилосубтилин. 3. Брагоректификация. Этот процесс осуществляется на разгонных колоннах. Отходами бродильного производства являются барда и сивушные масла. Барда используется для производства кормов для животных. В промышленных масштабах этиловый спирт получают из сырья, содержащего целлюлозу (древесина, солома), которую необходимо предварительно гидролизовать. В результате реакции гидролитического расщепления гликозидные связи полисахаридов одревесневшей биомассы разрываются с образованием моносахаридов. Образовавшуюся при этом смесь пентоз и гексоз затем подвергают спиртовому брожению. В странах Западной Европы и Америки эта технология не получила распространения, но в СССР (ныне в России) существовала развитая промышленность по производству кормовых гидролизных дрожжей и гидролизного этанола. На сегодняшний день лишь 7 % этанола производится путем химического синтеза, а 93 % — биотехнологическим способом с применением в качестве основных катализаторов клеток дрожжей (чаще всего Saccharomyces cerevisiae), которые могут продуцировать и выдерживать концентрации спирта до 18 об. %. Известно, что более сильным загрязнителем воздуха являются дизельные двигатели, в продуктах сгорания этого топлива имеется значительное количество веществ из «Периодической системы химических элементов Д.И. Менделеева», так как дизельное топливо при перегонке нефти выделяется только после эфира, бензина, керосина, лигроина. Карбюраторные двигатели работают на бензине. Также работают на сжиженном газе, это топливо состоит в основном из углерода и водорода, что значительно чище дизтоплива, но для повышения степени сжатия в камере сгорания до 10– 12 атм., в бензин добавляют в качестве конденсатора тетраэтилсвинец, который оказывает вредное воздействие на окружающую среду и способен накапливаться в растениях. Опыт показывает, что переход на топливо значительно снижает выброс вредных веществ. Надо отметить, что для производства топлива используются следующие виды растений. в Европе и Канаде – рапс, в США – соя, в Индонезии – пальмовое масло. Рапс относится к роду капуста семейства капусты. Рапс неприхотливая культура (масса 1000 семян ярового рапса составляет 2,6–5,0 г), высевается на глубину 2–3 см, норма высева семян рапса – 10–15 кг/га или 2,5– 3,0 млн. всхожих семян на га. Способ посева – сплошной рядовой, с междурядьями 12 см. Молодые растения способны переносить кратковременные заморозки до минус 3–50 С, взрослые – до минус 80 С. В семенах ярового рапса содержится 4048% масла, состоящего в основном из ненасыщенных (т.е. жидких) жирных кислот, из которых олеиновая составляет 60–70%. Рапс является прекрасным возобновляемым энергетическим ресурсом. БиодизельБиодизель — это дизельное топливо, изготовленное из жиров растительного или животного происхождения. Достоинства этого вида топлива те же, что и у биоэтанола: экологичность и возобновляемость. Биодизель не обладает бензольным запахом и изготавливается из масел, сырьем для которых служат растения, улучшающие химический и структурный состав почв в системах севооборота. Биодизель биологически безвреден. Если 1 л минерального масла способен загрязнить 1 млн. литров питьевой воды и привести к гибели водной флоры и фауны, то биодизель при попадании в воду не причиняет вреда ни растениям, ни животным — он подвергается практически полному биологическому распаду.При сгорании биодизеля выделяется такое же количество CO2 , которое было потреблено из атмосферы растениями за весь период их жизни. Биодизель, несмотря на обедненность серой (содержание серы < 0,001 %), характеризуется хорошими смазочными свойствами, что обусловлено его химическим составом и содержанием в нем кислорода. При работе двигателя на биодизеле увеличивается срок службы самого двигателя и топливного насоса в среднем на 60 %. Основной недостаток биодизеля — плохие эксплуатационные качества при низких температурах. Очень перспективным и активно развивающимся направлением является производство биодизеля из водорослей, что благоприятно скажется, к примеру, на экономике Дальнего Востока. Сейчас биодизель на основе метиловых эфиров жирных кислот — самое распространенное биодизельное топливо. Моноэфиры жирных кислот обладают улучшенными низкотемпературными свойствами, имеют низкую вязкость по сравнению с кислотами. Полученный на их основе биодизель отличается хорошей воспламеняемостью и соответственно высоким цетановым числом. Наиболее распространенным топливом этого типа является так называемый рапсметиловый эфир, который в большом количестве используется в Швеции, ФРГ, Франции и других странах. Биобутанол. В начале ХХ века биобутанол начали производить с использованием бактерии Clostridium acetobutylicum. В 50-х годах в связи с падением цен на нефть его стали получать из нефтепродуктов. То есть произошел переход от микробиологического метода производства биобутанола к получению его из нефти путем гидролиза галогеналканов или гидратации алкенов.