Биотопливо из водорослей получение. Производство биотоплива из водорослей, опилок и рапса

Биодизель - это многокомпонентное жидкое топливо, состоящее из метиловых или этиловых эфиров высших ненасыщенных и жирных кислот, получаемых в результате химической реакции, в основном путем этерификации растительных масел (рапсового, соевого, пальмового, подсолнечного, льняного и др.), а также путем переэтерификации жиров (животных и кормовых). В последнее время отрабатываются новые технологии производства биодизеля, такие как обработка растительного сырья генно-модифицированными микроорганизмами (в Калифорнийском университете совместно с компанией LSG, США, разработали генно-модифицированный штамм бактерии E. Coli, обладающий способностью превращать целлюлозу и гемицеллюлозы в биодизель), использование «отработанных» растительных масел, которые собирают в ресторанах и кафе, производство из сырья микробного происхождения и некоторые другие. К примеру, в связи с тем, что ресурсы растительных масел, получаемых из сельскохозяйственных культур, ограниченны, сегодня во всем мире проводятся широкие исследования в сфере использования разных - и имеющихся в природе, и вновь культивированных специальных видов водорослей как перспективного сырья для производства биодизеля.

Биодизель рассматривается в государствах ЕС как основное возобновляемое жидкое биотопливо. Объем его производства растет быстрыми темпами. Объем выпуска биодизеля в мире с 2002 года (1,2 млн т) достиг к 2010 году 18 млн т (в 2009 году - 14 млн т). Согласно прогнозам, при такой тенденции к 2020 году объем производства биодизеля в мире составит 100 млн т в год.

Лидером в изготовлении и использовании биодизеля в Европе является ФРГ - около 3 млн т в 2012 году (в основном из рапса) при технической возможности производства всех заводов 5 млн т в год. Второе место занимает Франция: около 2 млн т в год. Всего в Европе, по аналитическим данным ЕС на 2013 год, в эксплуатации находятся 256 заводов по производству биодизельного топлива. В ЕС с 2008 года, когда неурожай рапса привел к снижению производства биодизеля и, соответственно, росту его импорта, стала актуальной конкуренция европейских и заокеанских производителей этого вида топлива. Производители биодизеля из Аргентины и Индонезии за счет значительных государственных субсидий смогли поставлять его на европейские рынки по цене, которая ниже цены самого сырья (того же пальмового масла). Поэтому в 2012 году в некоторых европейских странах, в частности ФРГ, был принят ряд антидемпинговых законов и повышены импортные пошлины на ввоз биодизеля из этих стран.

В США биодизель получают в основном из соевого масла (оно составляет 30% всего сырья, используемого в мире для производства биодизеля, а рапсовое и пальмовое с незначительным количеством других масел делят остальные 70%). Биодизель в США используется на автотранспорте и как печное топливо. Доля жидкого биотоплива на рынке США составляет более 5%. В связи с тем, что технологии получения перечисленных выше масел высокозатратны, ведутся поиски более дешевых растений. Так, уже успешно начали использовать ятрофу (семейство молочайных), рыжик (семейство капустных).

В последние несколько лет производители биодизеля все больше внимания обращают на клещеви́ну (лат. Rнcinus ), растение семейства молочайных. Это масличное лекарственное и декоративное садовое растение. Из клещевины методом холодного прессования получают касторовое масло, среди растительных масел характеризующееся одним из самых высоких цетановых чисел.

Руководство бразильского агроконцерна Agrakonzern SLG поставило цель производить касторовое масло по новым технологиям себестоимостью $50 США за баррель (для сравнения: баррель соевого масла стоит $170).

Выход биодизеля из различных масличных культур составляет (л/га): из рапса - 1100, из подсолнечника - 690, из сои - 400. В Германии, например, для производства биодизеля используется в основном рапсовое масло. Рапс - неприхотливая культура, и его можно выращивать на выведенных из оборота землях. Он повышает биологическую активность и структуру почвы, очищает ее от азота. Биодизель в ФРГ дешевле обыкновенного дизельного топлива, несмотря на то, что существует налог на биодизельное топливо. Возделывание рапса субсидируется федеральным бюджетом.

Рассмотрим в общих чертах основную на сегодня технологию производства биодизеля методом этерификации растительных масел.

Любое растительное масло - это смесь триглицеридов (эфиров), соединенных с молекулой глицерина с трехатомным спиртом (C 3 H 8 O 3). Именно глицерин придает вязкость и плотность растительному маслу. Для получения биодизеля необходимо удалить глицерин, заместив его спиртом. Этот процесс (химическая реакция образования сложных эфиров при взаимодействии кислот и спиртов) называется этерификацией.

Исходное сырье (масло) подается в блок этерификации, куда одновременно поступают метанол (при соотношении с маслом от 1:4 до 1:20) и раствор катализатора (гидроксиды натрия или калия, либо метилат натрия, составляющие от 0,3 до 1,5% объема всего перерабатываемого сырья) для осуществления процесса этерификации. По окончании процесса в результате отстаивания смесь, полученная в блоке этерификации, разделяется на два слоя: верхний - смесь метиловых эфиров и метанола, нижний - глицерин (с небольшим количеством метанола). Верхний слой направляется в блок отгонки метанола, из которого метанол возвращается в блок этерификации, а оставшийся сырой продукт - метиловый эфир (биодизель) - поступает последовательно в блок промывки и сушильную камеру.

Процесс этерификации длится от 20 мин. до нескольких часов при рабочей температуре 65°С.

Получаемый из нижнего слоя путем отгонки метанола в блок этерификации побочный продукт - сырой глицерин - широко используется в фармацевтической и лакокрасочной промышленности. Кстати, глицерин можно также переработать в биотопливо - биоэтанол с выходом до 95%.

Применяются еще технологии этерификации без катализатора и при суперкритических режимах. В первом варианте вместо катализаторов в этерификационный реактор вводится специальный растворитель: тетрагидрофуран. За счет этого повышается растворимость компонентов в реакторе, снижается до 30°С температура процесса, сокращается до 10 мин. его продолжительность. Смесь четко разделяется на эфирный и глицериновый слой. Отпадает необходимость в промывке и сушке продукта.

Во втором варианте процесс этерификации проводится при высокой - до 400°С - температуре и давлении до 80 атм., что также позволяет обходиться без катализаторов и сокращает продолжительность процесса в реакторе до 5 мин.

У биодизеля (метилового эфира) теплотворная способность в среднем 37,6 МДж/кг и высокое цетановое число (51-58) в сравнении с нефтяным дизтопливом, у которого оно составляет 50-52. А чем выше цетановое число, тем лучше топливо. Биодизель можно использовать как в чистом виде, так и в качестве добавки к дизельному топливу.

Таблица 1. Сравнение основных показателей стандартов
биодизеля в ЕС и дизтоплива в РФ

Биодизель биологически безвреден. При попадании в воду он не причиняет вреда водной флоре и фауне. В воде или почве подвергается почти полному биологическому распаду (до 99% в течение месяца), поэтому при использовании биодизеля на речных и морских судах можно существенно минимизировать загрязнение водных ресурсов планеты. При сгорании биодизеля в атмосферу выбрасывается значительно меньше СО 2 , чем при сгорании обычных видов топлива. Кроме того, преимущества биодизеля перед ними очевидны ввиду низких характеристик продуктов сгорания: монооксида углерода, остаточных частиц, сажи и, что особенно важно, полициклических ароматических углеводородов (известных как канцерогенные вещества). Биодизель в сравнении с минеральным дизтопливом почти не содержит серы (10,0 мг/кг). Поэтому в некоторых государствах на биодизельное топливо переводят муниципальный транспорт, проводятся испытания по использованию биодизеля в качестве авиационного топлива.

У биодизеля хорошие смазочные характеристики. Известно, что дизтопливо при устранении из него сернистых соединений теряет смазочные способности. А вот биодизель, несмотря на малое содержание серы, характеризуется хорошими смазочными свойствами, что обуславливается его химическим составом и содержанием в нем кислорода. За счет этого свойства увеличивается срок службы двигателя: во время работы двигателя одновременно происходит смазка его подвижных частей и топливного насоса.

У биодизеля высокая температура вспышки (выше 100°С), что позволяет называть его более безопасным в сравнении с обычным дизтопливом.

Есть, конечно, у биодизеля и ряд недостатков. Прежде всего это низкая морозоустойчивость, поэтому в холодное время его необходимо прогревать или разбавлять обыкновенным дизтопливом. В неразведенном виде биодизель может повредить резиновые шланги и прокладки, поэтому часто требуется их замена изделиями из более стойких материалов. Биодизель не подлежит длительному хранению. В табл. 1 приведены основные показатели стандартов биодизеля в Европе и нефтяного дизтоплива в России.

Бионефть

Бионефть - это смесь жидких углеводородов и других органических веществ, получаемых из сырья растительного или биологического происхождения. Бионефть - условное название, так как содержание углеводородов в ней всего 5-10%, а остальное - спирты, лигнины, альдегиды и пр. Существуют следующие термические или термохимические способы производства бионефти из растительной биомассы: пиролиз, газификация, парокрекинг, гидрокрекинг.

В результате пиролиза (процесса разложения сырья при нагревании до 450-550°С при отсутствии кислорода) сырье превращается в уголь, а также жидкие и газообразные продукты. При этом жидкие продукты пиролиза могут быть использованы в качестве топлива, которое в последние годы получило название «бионефть», «биомазут» или «пиролизная жидкость». Для увеличения выхода бионефти (до 80% общего объема сухого сырья на входе) применяется так называемый быстрый пиролиз: процесс пиролиза длится несколько секунд при очень высокой температуре - до 1000°С. Теплота сгорания бионефти составляет 16-19 МДж/кг, что значительно ниже теплоты сгорания углеводородного топлива. В Финляндии в этом году финским энергетическим концерном Fortum впервые в мире будет построен завод по производству бионефти из древесной щепы методом пиролиза; производительность предприятия составит 50 тыс. т в год. Для производства бионефти потребуется ежегодно 600 тыс. м 3 древесины. Fortum известен в России по проекту строительства с нуля в г. Нягань (ХМАО - Югра) первой после развала СССР крупной электростанции (Няганской ГРЭС) общей мощностью 1260 МВт.

Бионефть и биоэтанол можно также получать из отходов сахарного производства - мелассной барды.

Биобензин

Биобензин (синтетический бензин) производили в промышленном масштабе еще в 30-40-е годы ХХ века в Германии из синтез-газа (метод Фишера - Тропша) при газификации ископаемых углей. В этом процессе можно также вместо угля использовать твердую биомассу, в том числе древесину. Но в настоящее время такой биобензин не производится, несмотря на то, что у биобензина есть важные экологические преимущества перед обычным бензином, такие как отсутствие соединений серы и азота, а также тяжелых металлов, кроме того, при сжигании биобензина не образуются канцерогенные соединения; главная причина - высокая себестоимость производства.

Растительные масла

Не все знают, что созданный немецким инженером Рудольфом Дизелем в 1897 году первый образец дизельного двигателя работал на растительном (арахисовом) масле.

Растительные масла (теплотворная способность 33-34 МДж/кг) используются в качестве моторного топлива довольно давно; накоплен значительный опыт по использованию подсолнечного, арахисового, соевого, кукурузного, рапсового и других масел. Наиболее широкое применение получило рапсовое масло, поскольку рапс является самой высокопродуктивной из масличных культур (на втором месте по продуктивности подсолнечник, на третьем - соя). Новым перспективным источником сырья для получения топливных масел могут стать водоросли, в которых содержание масла, близкого по составу к известным растительным, доходит до 40% общей массы при значительно большей, чем у последних, продуктивности. Например, при переработке рапса в масло за год с 1 акра пашни можно получить 265 л масла, а при культивировании водорослей с 1 акра водной поверхности - 20 тыс. л масла в год.

Германия является лидером не только в использовании биодизеля, но и в применении растительных масел в качестве моторного топлива (в основном рапсового масла). В США в качестве биотоплива из всех растительных масел используют преимущественно соевое. Масло из семян получают обычным прессованием (или экстракцией), при котором исходное сырье очищают от посторонних примесей, затем смешивают с растворителем - экстрагентом (в качестве которого используют бензин, гексан или этанол) - и перемешивают в течение определенного времени, после чего отделенную от жмыха оставшуюся смесь разделяют на растворитель, который возвращается в блок экстракции, и сырое нерафинированное масло.

Выход масел при использовании технологии прессования составляет 28-29%, а при экстракции - 40-42% по отношению к исходному сырью (при содержании масел в нем 45-50%).

Растительные масла как топливо характеризуются более высокой энергетической плотностью в сравнении со спиртами, но эксплуатационные качества у них хуже, чем у спиртов, в частности: высокая вязкость и большая склонность к образованию нагара. Поэтому предпочтительно использование растительных масел в смеси с дизельным топливом. Смесь рапсового масла с дизельным топливом называют биодизельной смесью, или биодитом.

BTL (Biomass-to-Liquid)

BTL (Biofuel-to-Liquid) - один из видов жидкого биотоплива (теплотворная способность в среднем 33,5 МДж/кг), инновационная технология производства которого была разработана совсем недавно, в 2000-е годы с участием таких компаний с мировым именем, как Shell, Daimler, Volkswagen, и инновационной компании Choren GmbH. Первый завод по производству BTL был построен в немецком Фрайбурге в 2007 году. Сырьевая база производства - более 70 тыс. т отходов деревообрабатывающей промышленности, лесопиления и ландшафтных работ. На сегодня технология BTL считается наиболее перспективной для получения жидкого биотоплива. Для производства BTL подходит любой вид твердой биомассы: древесная щепа, опил, солома, отходы АПК, а также мискантус и другие быстрорастущие плантационные растения, бытовые отходы и многое другое. По-этому производство BTL не нуждается в сырье в виде сельхозпродукции пищевого назначения (зерновые, масличные культуры), в отличие от производства биоэтанола и биодизеля, и таким образом не составляет конкуренцию по сырью пищевой промышленности. Для получения 1 кг BTL необходимо от 5 до 10 кг древесного сырья.

Производство BTL включает в себя комбинацию нескольких давно известных процессов: пиролиза, газификации в потоке при высокой температуре и процессов Фишера - Тропша, или MtG (Methanol-to-Gasoline).

На первой стадии подсушенное сырье (биомасса влажностью до 20%) подвергается низкотемпературному пиролизу при температуре 400-500°С. На выходе получают уголь, кокс и газосодержащую смолу. Смола затем сжигается при температуре выше температуры плавления золы (выше 1400°С) в камере сгорания, и получается газо-образная смесь СО и H 2 . Остатки золы и кокс поступают обратно в камеру сгорания, а газ проходит через скруббер, очищается от хлора и серы, а потом выполняется синтез Фишера - Тропша: при помощи кобальтового катализатора происходит соединение водорода и углерода и после очистки получается конечный продукт: BTL. BTL не содержит ароматических углеводородов и серы, у него высокое октановое число, при его использовании до 90% сокращаются выбросы СО 2 в атмосферу в сравнении с углеводородными видами топлива.

В последние годы во всем мире использование посевных продовольственных культур для производства жидких видов биотоплива считают нерациональным, так как такой вид их использования ведет к повышению цены на продовольствие. По-этому и начали производить жидкое биотопливо так называемого второго поколения: из посевных трав и разных растений, не используемых в пищевой промышленности и возделываемых на не пригодных для основных посевных культур землях, из водорослей, из бытовых отходов, из быстрорастущих плантационных растений, из отходов деревообработки и лесопиления, из соломы. Что касается древесного сырья, то, как уже отмечено выше, в мире существует немало разных технологий получения жидких видов биотоплива из целлюлозосодержащих материалов. Вот только стоимость производства, например, биоэтанола из такого сырья вдвое выше стоимости его производства из зерна... К тому же в ближайшее время вряд ли создадут технологии, которые позволят удешевить процесс. Поэтому будет ли жидкое биотопливо из целлюлозосодержащего сырья конкурентоспособно на рынке, пока сказать трудно.

По мнению автора, в России наибольшей эффективности производства и использования любых видов жидкого биотоплива, полученных из твердой биомассы, можно достигнуть в аграрном секторе. В АПК России ежегодно сжигается свыше 5 млн т дизельного топлива. Только на предприятиях АПК сокращение использования нефтяного дизельного топлива за счет биодизеля на 30% даст ежегодный экономический эффект более 10 млрд руб.

Что же касается древесных отходов, то их, за исключением тех, что используются на гидролизных заводах, лучше направить на производство твердого биотоплива. Недаром в одной из публикаций во влиятельном журнале Science указывается, что прямое сжигание целлюлозосодержащих растений с целью генерации электроэнергии для зарядки аккумуляторов электромобилей обеспечит этим авто более чем на 80% больший пробег, чем при использовании жидкого биотоплива, полученного при переработке этих растений.

Сергей ПЕРЕДЕРИЙ,
Дюссельдорф, Германия,
[email protected]

БИОТОПЛИВО ИЗ ВОДОРОСЛЕЙ - топливо второго и третьего поколений

Редактор Biofuels Digest Джим Лэйн называет биотопливо второго и третьего поколений из водорослей и других одноклеточных организмов «самым волнующим экспериментом, который сейчас идет в биоэнергетике ».

Одноклеточный организм, производящий фотосинтез, образует крохотный жировой пузырек, который позволяет ему плавать на поверхности воды. Доисторические предки этого организма были источником образования углеводородов, и по своей природе он ближе к нефти, чем зерновые, пальмы или растения рода ятрофа, из масла которых пытаются делать биодизельное топливо . Департамент развития топлива Министерства энергетики США с 1978 по 1996 год уже финансировал программу Aquatic Species по получению БИОТОПЛИВА ИЗ ВОДОРОСЛЕЙ , но реальные результаты стали появляться только в последние годы, когда такие ученые, как Стивен Мэйфилд из Калифорнийского университета Сан-Диего, применяя наработанные в фармацевтической индустрии методы, научились разводить водоросли , которые отличаются следующими характеристиками: быстро растут, содержат много масла, устойчивы к заболеваниям. К тому же урожай водорослей легко собирать.

За день в лабораториях Sapphire создают и исследуют до 8000 штаммов таких одноклеточных водорослей . Самые перспективные проходят долгий путь: от подносов с 96 крохотными чашками Петри – в контейнеры размером с бутылку, где водоросли бережно взбалтывают, чтобы равномерно распределить их в объеме воды, затем в мягкие пластиковые пакеты, подвешенные на манер капельниц для внутривенного вливания, потом в бассейны, содержимое которых перемешивает большое колесо с лопастями. Наконец водоросли помещают в теплицы для промышленного выращивания.

В мае 2008 года в лаборатории Sapphire впервые в истории получили из возобновляемых ресурсов бензин с октановым числом 91.

В сентябре 2010 года компания, получив грант Министерства энергетики ($50 млн.) и кредит под гарантии Министерства сельского хозяйства ($54,5 млн.) начала строительство на 300 акрах опытного завода в Нью-Мексико. Уже в этом году завод должен производить несколько сотен баррелей нефти в день. Если все будет хорошо, Sapphire продолжит коммерческое развитие проекта, чтобы к 2018 году производить уже десятки тысяч баррелей в день. Это минимальная «корзина» топлива, которую может рассматривать ответственный за закупки менеджер на нефтеперерабатывающем заводе. «Крупные НПЗ принимают 20-30 подобных “корзин” сырья в любое время, – говорит Уорнер. – Обычно нефтепереработчики не интересуются меньшим объемом. Вот на этот уровень нам и нужно выйти».

Срок жизни водорослей долог, а число их ошеломляюще велико. Марк Бюгнер, ведущий аналитик по биотопливу в американском исследовательском агентстве Lux Research, говорит, что сегодняшние технологии все еще слишком дороги и не позволяют добывать много сырья. «По сравнению с водорослями получение этанола из кукурузы покажется скромным проектом». При этом производство и получение биотоплива из кукурузы, на которое в США возлагали большие надежды, на поверку оказалось очень дорогим.

Марк Бюгнер говорит, что Sapphire очень закрытая компания. На офисе нет даже вывески, а стоит неизвестному человеку вылезти из машины, как его встречает крепкий охранник. «Это внушает подозрения, что технология не работает, – говорит Бюгнер. – Что секретность – это ширма, позволяющая скрыть тот факт, что компания находится в том же положении, как и все остальные». И добавляет: «Вы можете сказать, что такие люди, как Си-Джей, не станут рисковать карьерой из-за проекта, который не работает. Но и умные люди могут совершать ошибки. Нет стопроцентной гарантии, что здесь все в порядке».

Байрон Уошом, эксперт в области альтернативной энергетики с 20-летним стажем, директор стратегических энергетических инициатив в Калифорнийском университете в Сан-Диего, настроен более оптимистично: «Я всегда спрашиваю клиентов: “На кого вы ставите на скачках – на лошадь или на жокея?” Сам я ставлю на жокея: он знает, как подобрать лошадь и выиграть заезд. Я бы сказал, что у компаний вроде Sapphire подходящие данные, чтобы выиграть скачку».

Примеры использования биотоплива в технике

США: Демонстрация первого рейса эсминца на биотопливе прошла успешно

В США провели рейс эсминца, который использовал в качестве горючего биотопливо .

Эскадренный миноносец, относящийся к классу Spruance и управляемый дистанционно, совершил плавание протяженностью 17 часов вдоль побережья США от калифорнийского города Сан-Диего до базы ВМС США в Порт-Уайними. Двигатели корабля весь маршрут работали на смеси, которая содержала в равной пропорции обычное горючее и обработанное специальным образом масло. Масло это было получено из водорослей.

Эта демонстрация – один из этапов перевода ВМС США на доктрину «Великого зеленого флота». Согласно положениям этой доктрины, ВМС США к 2016 г. планирует использовать исключительно альтернативное топливо , а к началу следующего десятилетия удовлетворять 50% общего энергопотребления флота за счет альтернативных источников энергии .

Народ приходит на авиасалон ILA в Берлине, прежде всего, чтобы увидеть самолеты. Но самолеты без топлива не летают, а оно не вечно и по тому концерн EADS, создатель самолетов-гигантов уделяет серьезное внимание разработке топлива будущего.

Как рассказывает Райнер Вайгнер «в этой невзрачной установке под названием Фотобиореактор, ученые из института промышленного использования зерна, по заказу EADS, выращивают водоросли из которых можно делать топливо, для роста водорослей необходимы только свет и двуокись углерода». Концерн связывает с этим способом производства топлива большие надежды, иначе он не стал бы показывать этот биореактор на своем стенде в Берлине.

Создание топлива из растительного сырья идея не новая, для этого уже используется рапс, картофель и зерновые культуры - рис, кукуруза, пшеница. «Проблемы при этом возникают, прежде всего, морально-этические» - говорит Отто Пульт, научный сотрудник института, - «ведь для производства топлива используются продукты питания, которых во многих частях мира нахватает». Ученые, работающие над этим проектом по заказу EADS, предлагают свою технологию выращивания водорослей и производства керосина из них.

Никакого керосина только водоросли – именно по такому принципу работает эта новинка в сфере авиапромышленности. Самолет нового поколения Diamond Aircraft DA42 кружит в берлинском небе на топливе из морских водорослей . Демонстрационный полет проходит в рамках международного авиасалона. Представил экологически чистое чудо - Европейский Аэрокосмический Оборонный Концерн.

- « Топливо из морских водорослей более энергоемкое - на 5-10%, кроме того его преимущества также в качестве выхлопов, оно выше чем при работе на обычном керосине». По словам производителей, у биотоплива есть еще одно немаловажное преимущество: - «Производить биологическое топливо можно везде, нужен лишь солнечный свет, углекислый газ, питательные вещества и место, чтобы это осуществить». Однако есть в биотопливе из водорослей и одно существенное но, производить его крайне не дешево.

- «Я не могу сказать, сколько в конечном итоге будет стоить 1 литр топлива из морских водорослей, но это будет намного дороже. К сожалению, мы еще не достигли уровня, когда можем производить его в больших количествах на продажу».

Отвечая на вопрос «Как долго ждать мировому сообществу самолетов на биотопливе?» Штулбергер ответил, что еще 5-10 лет.

Водоросли хороши тем, что очень быстро растут и дают большое количество вещества необходимого для создания топлива. К тому же водоросли могут расти где угодно, и главное - вы не расходуете на создание топлива продукты питания.

На площадке института под Берлином уже созданы большие практически промышленные установки для выращивания водорослей . Однако процесс этот пока еще слишком дорог. 1 килограмм биомассы, полученный из водорослей, стоит на мировом рынке от 10 до 20 долларов. Рентабельным такое производство может быть, если килограмм будет стоить не больше 1 доллара. Конечно, если поставить это на производственный поток, нужны миллионы тон биомассы, и себестоимость можно снизить. Поэтому ученые настроены оптимистично.

Испытательные полеты авиалайнеров заправленных таким топливом уже прошли, можно надеяться, что создание авиатоплива из водорослей - станет доходной отраслью экономики.

Искусственная нефть за минуту - вполне реально

Специалисты Мичиганского университета (США) усовершенствовали технологию производства биотоплива из морских водорослей, передают новости альтернативной энергетики информационное сообщение американского новостного издания. Ученым удалось превратить 65% водорослевой массы в топливо аналогичное нефти, так называемый «biocrude», всего за одну минуту. Многие эксперты считают это значительным прорывом в данной технологии производства биотоплива - новый процесс не требует периода в миллион лет для превращения натурального сырья в нефть.

Ранее biocrude как правило получали процессом быстрого пиролиза из древесного материала, вместе с тем также проводились и эксперименты по производству биотоплива из морских водорослей. Природный материал на время от 10 до 90 минут нагревали до 300 градусов Цельсия, в результате чего и происходило превращение. До настоящего времени наилучший из достигнутых результатов – 50% объема водорослей превращенных в biocrude - был получен при нагреве биомассы от 10 до 40 минут.

Американские ученые в ходе эксперимента наполнили разъемную стальную трубу диаметром 1,5 миллиметра массой мокрых водорослей и поместили ее в песок, разогретый до 600 градусов Цельсия, в результате чего всего за одну минуту 65% объема водорослей превратился в biocrude.
Пока остается неясным, почему более короткий по времени нагрев оказался столь эффективным.

По версии ученых реакции, производящие искусственную нефть протекают очень быстро, а медленный нагрев просто замедляет процесс преобразования побочными реакциями. Следуя этой теории, изменение затрачиваемого времени на протекание реакции позволит в дальнейшем значительно повысить скорость производства из водорослей нефтеподобного продукта, но и уменьшит размеры реакторов, что в свою очередь снизит стоимости сооружения заводов по производству biocrude, передают новости альтернативной энергетики.

Новости альтернативной энергетики также напоминают, что биотопливо biocrude может успешно использоваться на современных нефтеперерабатывающих заводах, при условии предварительного извлечения дополнительных атомов азота и кислорода, изобилующих в живых организмах.

Китай разработал авиационное биотопливо

Китай присоединился к США, Финляндии и Франции – странам, которые самостоятельно разработали авиационное топливо на основе биологического сырья, сообщают новости альтернативной энергетики. Экспериментальным видом горючего был заправлен пассажирский авиалайнер A-320 компании China Eastern Airlines, который в рамках испытаний совершил тестовый полет и благополучно приземлился в Шанхае после 85 минут пребывания в воздухе.

По словам представителей «Синопек», компании-разработчика биотоплива, продукт изготовлен на основе растительных масел и по характеристикам полностью идентичен авиационному керосину. В ближайшее время производитель намерен запустить выпуск горючего для коммерческого использования, передают новости альтернативной энергетики.

из открытых источников информации

Все большую популярность среди потребителей и производителей набирает биотопливо. Причем, если производить его затратно, как и любой другой вид бизнеса, то реализовывать потребителям не сложно. Основной мотив, которым оперируют продавцы – бережное отношение к природе, отсутствие вредного воздействия, и кроме того – высокая эффективность и низкая стоимость по сравнению с традиционным топливом. Основные виды биотоплива: биодизель, биогаз, и самое популярное – биоэтанол.

Международный контроль

Интересен тот факт, что Еврокомиссия намерена стимулировать страны-участницы к переводу на биотопливо автомобилей в объеме 10% от общего количества. Для достижения этой цели в странах Европы созданы и работают специальные советы и комиссии, которые стимулируют автовладельцев к переоснащению двигателей, а также контролируют качество поставляемого на рынки биотоплива.

Для сохранения биобаланса на планете Земля комиссии следят, чтобы количество растений, являющихся сырьем для производства продуктов, увеличивалось, и их не вытесняли растения, из которых производят биотопливо. Кроме того, предприятия, которые производят биологическое топливо, должны постоянно совершенствовать свои технологии и ориентироваться на выпуск топлива второго поколения.

Топливные реалии в России и в мире

Результаты такой активной работы не заставили себя ждать. К примеру, еще в начале второго десятилетия века в Швеции уже работали 300 автозаправок, на которых можно залить в бак экологически безопасный биодизель. Изготавливается он из масла знаменитых сосен, произрастающих в Швеции.

А весной 2013 года произошло событие, ставшее переломным моментом в развитии технологий производства авиационного топлива. Из Амстердама вылетел трансатлантический самолет, заправленный биотопливом. Этот Боинг благополучно приземлился в Нью-Йорке, положив тем самым начало использованию экологически чистого и недорогого топлива.

Россия в данном процессе занимает весьма интересную позицию. Мы являемся производителями различных видов биотоплива, занимаем третье место в рейтинге экспортеров топливных пеллет! Но внутри своей страны мы потребляем менее 20% топлива, продолжая использовать дорогостоящие виды.

27 регионов России стали опытными площадками, где были построены и запущены электростанции, работающие на биогазе. Этот проект стоил почти 76 миллиардов рублей, но экономия от работы станций превосходит эти затраты во много раз.

Второе поколение биотоплива

Сложность производства состоит в том, что для него требуется довольно много растительного сырья. И для выращивания его нужны земли, которые при правильном раскладе должны быть использованы для выращивания пищевых растений. Поэтому новые технологии направлены на то, чтобы биотопливо производить не из растения целиком, а из отходов другого производства. Щепки от деревообработки, солома после обмолота зерновых, шелуха от подсолнечника, жмых от масличных и фруктов, и даже навоз и многое другое – вот что становится сырьем для биотоплива второго поколения.

Ярким примером биотоплива второго поколения является «канализационный» газ, то есть биогаз, состоящий из углекислого газа и метана. Чтобы биогаз можно было использовать в автомобилях, из него удаляют углекислый газ, в итоге остается чистый биометан. Примерно таким же способом из биологической массы получают биоэтанол и биодизель.

Подсолнечник, соя или рапс – основные виды растений, из которых производится биодизельное топливо. В автомобилях его не используют в чистом виде. Его смешивают с традиционным дизельным топливом, причем биодизель должен содержаться в пропорции 1:4, то есть одна пятая часть биодизеля и четыре пятых – обычного дизеля. Именно поэтому использование биодизельного топлива очень просто в техническом плане. Двигатель автомобиля не требует изменений и доработки. Выхлопные газы при использовании биодизеля намного более чистые в экологическом плане, содержание вредных веществ намного ниже, чем допустимые экологические параметры. Энергоотдача биодизеля несколько ниже, чем у чистого дизеля, поэтому снижается мощность автомобильного двигателя. Следовательно, топлива требуется несколько больше.

Производство биодизеля допускает использование любых видов масел из растений – подсолнечника, рапса, льна и других. Разные масла придают биодизелю свои особенности. Пальмовый биодизель отличается высокой калорийностью, он застывает и фильтруется при высоких температурах. Биодизель из рапса отлично реагирует на холод, поэтому его следует использовать только в северных районах.

Как изготавливают биодизель

Чтобы произвести биодизель, требуется уменьшить вязкость растительного масла. Для этого из него удаляют глицерин, и вместо него вводят в масло спирт. Этот процесс требует нескольких фильтраций, чтобы удалить воду и различные примеси. Чтобы ускорить процесс, в масло добавляется катализатор. Также в смесь вводят спирт. Для получения метилового эфира в масло добавляют метанол, для получения этилового эфира – этанол. В качестве катализатора используют кислоту.
Все компоненты перемешиваются, затем необходимо время на отслоение. Верхний слой емкости – это и есть биодизель. Средний слой – мыло. Нижний слой – глицерин. Все слои идут в дальнейшее производство. И глицерин, и мыло – это необходимые в народном хозяйстве составы. Биодизель проходит несколько очисток, осушается, фильтруется.
Довольно интересны цифры данного производства: тонна масла при взаимодействии со 110 кг спирта и 12 килограммов катализатора дают в итоге 1100 литров биодизеля и более 150 кг глицерина. Биодизель имеет янтарно-желтый цвет, как красивое свежеотжатое подсолнечное масло, глицерин темный, причем уже при 38 градусах он твердеет. В биодизеле хорошего качества не должно быть никаких примесей, частиц, взвесей. Для постоянного контроля качества при использовании биодизеля необходимо проверять автомобильные топливные фильтры.

Биоэтанол

Этот вид биотоплива производится из растительного сырья – из сахарного тростника или кукурузы. Основные производители данного вида биотоплива – США и Бразилия. Биоэтанол вводят в состав обычного бензина. Причем, в названии бензина включено количество процентов биотоплива в составе смеси. Например, Е-10 содержит 90% бензина и 10% биологического этанола. Именно этот вид бензина подходит к любому двигателю автомобилей. А вот смесь Е-85, в которой 85% биотоплива, требует технической доработки двигателя авто.

Изготовление биоэтанола

Брожение сырья, богатого сахарами – вот основа получения биоэтанола. Этот процесс похож на получение спирта или на обычное самогоноварение. Крахмал зерна превращается в сахар, к нему добавляются дрожжи, получается брага. Чистый этанол получают путем отделения продуктов брожения, это происходит в специальных колоннах. После нескольких фильтраций производят осушку, то есть удаляют воду.

Биоэтанол без примесей воды можно добавлять в обычный бензин. Экологическая чистота биоэтанола и его минимальное воздействие на окружающую среду высоко ценится в промышленности, кроме того, цена получаемого биотоплива весьма приемлема.

Биотопливо третьего поколения

Третье поколение биотоплива – это топливо из водорослей. Ценность такой технологии огромна. На планете огромное количество земли, которая не пригодна для выращивания пищевых растений. Именно на ней отлично приживаются водоросли. Необходимо только создать небольшие искусственные пруды или специальные биореакторы закрытого типа. Основывается данная технология на том, что в водорослях в процессе роста накапливаются масла. И ученые обнаружили, что молекулы этих масел имеют схожую структуру с обычной нефтью.

Все, что нужно для роста водорослей, это вода, свет, углекислый газ, питательная среда. Причем процесс роста водорослей имеет еще один положительный эффект для человечества: они во время роста потребляют углекислых газ, избавляя планету от парникового эффекта, и насыщают атмосферу кислородом. При переработке водорослей получается топлива в 3,5 раза больше, чем из пальмового масла, в 5 раз больше, чем из сахарного тростника, в 8 раз больше, чем из кукурузы, и в 40 раз больше, чем из сои.

Е.Щугорева

Любому водителю далеко не все равно, что льется в бак его машины. Во многих случаях именно некачественное топливо приводит к серьезным проблемам с автомобилем. Поэтому вполне понятен интерес ко всему, что связано с бензином, соляркой и прочими видами топлива. А как следствие этого – к альтернативным видам горючего для ДВС, одним из которых является биотопливо.

Что это такое, и из чего делают биотопливо?

Все ресурсы, которые есть на Земле, условно можно поделить на возобновляемые и не возобновляемые. Уголь, нефть, металл, в природе не восстанавливаются, а вот дрова, кукуруза, навоз могут быть получены вновь и вновь. Все, что растет или является отходами переработки такого сырья – источники возобновляемой энергии. Вот из этих биоресурсов люди ещё с давних пор получали нужное для своего существования, в том числе и биотопливо.

Биотопливо первого поколения

Однако и между собой отдельные его виды различаются, скажем так, по значимости источников сырья для биотоплива. Связано это с используемыми ресурсами. Например, чтобы получить биотопливо из рапса, его надо сначала вырастить, а уж потом отправить семена на переработку. Для выращивания такой культуры занимается посевная площадь, и фактически речь идет о выборе приоритетов – а чего мы хотим иметь, продукты питания или биотопливо. Кроме того, получение биомассы, идущей на производство биотоплива, связано с использованием специализированных удобрений, что наносит определённый вред земле и окружающей природе. Такой вид сырья относится к первому поколению.

Второе поколение

Однако биотопливо можно получить из иных источников, таких как отходы других производств. Его делают, например, из опилок, а также остатков стеблей, шелухи, остающейся после обработки зерновых, и многого другого. Все это дает так называемое биотопливо второго поколения, для которого не требуется специально выращивать сырье, а сделать его можно из отходов других производств.

Третье поколение

Следующим этапом развития стало биотопливо третьего поколения. Его источником являются водоросли. Существуют определённые их сорта, содержащие значительное количество растительных жиров, из которых можно сделать тот же самый биодизель. Конечно, чтобы получить биотопливо из водорослей, их надо выращивать, но для этого совсем не требуется занимать посевные площади. Водоросли могут расти в прудах, биореакторах, на морском дне или в специально устроенных заливах, т.е. занимают те участки земной поверхности и морского дна, которые не задействованы в производстве продуктов питания. Так что, биотопливо третьего поколения, хотя и находится еще в стадии отработки технологии производства, надо признать наиболее перспективным.

Двигатель на биотопливе – немного истории и его варианты

Это для нас сегодня бензин и солярка являются единственными видами топлива, на которых работает всем нам привычный двигатель. Но надо отметить, что далеко не всегда было именно так. На заре своего существования, для ДВС как топливо применялось всё, что только подходило – масло, спирт, эфир, газ, дрова и т.д.

Поэтому должно быть достаточно интересно вспомнить о биотопливе, которое использовалось раньше. В этом случае стоит особо отметить:

спирт в различных его видах;
масло;

Биотопливо из опилок или спирт как он есть

Биотопливо подобного типа наиболее известно, и по-видимому, это один из первых вариантов горючего, которое потреблял двигатель. Среди различных его видов стоит отметить биоэтанол, биометанол и биобутанол.

1.Этанол или обычный спирт достаточно хорошо известен в истории автомобилестроения. Достаточно сказать, что в свое время Генри Форд организовывал строительство заводов по производству спирта, предназначенного на роль топлива. Сейчас его изготовление широко развернуто в Бразилии, по оценкам экспертов, сорок процентов автотранспорта этой страны используют этанол в чистом виде, шестьдесят процентов – в смеси с бензином.

Из чего сегодня делают этанол? Чаще всего сырьем служит сельскохозяйственная продукция, в той же Бразилии, чтобы сделать биоэтанол, применяют сахарный тростник, солому, древесные отходы и другое аналогичное сырье. Из опилок на гидролизном производстве так же можно получить этанол. Чем же он так хорош, что это вызывает его всеобщее использование?
Здесь надо обратить внимание на:

детонационную стойкость;
теплоту сгорания;
теплоту испарения.

Из чего бы ни пришлось сделать подобное биотопливо, из опилок или тростника, ему свойственны антидетонационные свойства, они выше, чем у обычного бензина. Благодаря этому можно повысить мощность, двигатель, работающий на этаноле, допускает увеличение степени сжатия. Теплота сгорания спиртовоздушной смеси незначительно отличается от характеристик традиционной топливовоздушной смеси, а за счет хорошей испаряемости спирта обеспечивается лучшее наполнение цилиндров и полное ее сгорание.

Из недостатков этанола стоит отметить его повышенную агрессивность по отношению к некоторым цветным металлам, пластмассам и резине, вследствие чего может возникнуть необходимость частично дорабатывать двигатель. Однако самым главным минусом такого горючего является его гигроскопичность, оно сильно поглощает воду, а затем смесь расслаивается в баке, в результате чего он окажется заполнен в основном водой. Одним из методов борьбы с этим является использование смесей спирта и бензина, до десяти процентов этанола, добавленного в обычный бензин, только улучшают его характеристики.

Дополнительно стоит отметить, что производство биоэтанола как топлива, хоть из тех же самых опилок, отличается от производства питьевого спирта. Топливный спирт не пригоден для питья, он имеет явно выраженный сивушный запах и повышенное содержание метанола.

2.Метанол, или метиловый спирт, при всех своих достоинствах ядовит. Хотя его можно сделать из отходов, из тех же самых опилок, обычно биометанол не используют в качестве горючего.
3.Биобутанол. Как биотопливо для автомобилей подходит даже в большей степени, чем биоэтанол. Может изготавливаться из биомассы, опилок, и при этом ничем не отличаться от бутанола, полученного по традиционной технологии.

Среди его достоинств необходимо отметить:

большую энергетическую ценность;
меньшую агрессивность;
возможность смешиваться с бензином;
возможность прямой и полной замены бензина без переделки автомобиля.

Рассматривая спирт как замену бензину, стоит отметить, что плюсы и минусы биотоплива подобного типа достаточно очевидны, и все недостатки при необходимости могут быть успешно устранены. Однако в настоящее время такое биотопливо чаще всего применяется в смеси с обычным бензином, хотя технологии его получения, например из опилок, позволяют полностью реализовывать используемую биомассу и исключить нефть из употребления.

Биодизель, или как сделать биотопливо

Это другой, не менее известный вид горючего. Он заменяет солярку, а не бензин. Производят его из растительного масла. Сырье в различных районах земного шара может быть разное: рапсовое, пальмовое, кокосовое, соевое масло, водоросли и т.д. Биотопливо подобного типа изготавливается достаточно просто, вплоть до того, что существуют самодельные установки, позволяющие производить биотопливо в домашних условиях.

Технология его получения такова – масло смешивается в определенных пропорциях со спиртом и щелочью, в результате образуется биодизель и высвобождается глицерин, который может использоваться для каких-то других целей. Так что при наличии источников растительного масла, в том числе и его остатков после кулинарной обработки пищи, вполне возможно сделать биотопливо своими руками.

Достоинством биодизеля является отсутствие серы в составе выхлопных газов, и как следствие этого то, что такое биотопливо не теряет смазочных свойств, благодаря чему двигатель может служить гораздо дольше. Надо отметить, что вредного воздействия от такого топлива на окружающую природу нет. К недостаткам биодизеля стоит отнести необходимость его подогрева в холодное время года и то, что он не хранится более трех месяцев.

Наиболее оптимальным признано его использование в смеси с обычной соляркой, выпускаются несколько разновидностей такого топлива, обозначаемых буквой В, а цифры рядом говорят о содержании биодизеля в составе топлива. Например, В5 означает содержание в нем пяти процентов биодизеля и девяноста пяти процентов солярки.

Газ как вид автомобильного топлива

Существует и биотопливо в виде газа. Источником его является биогаз, получаемый как результат анаэробного (без доступа воздуха, метанового) брожения навоза. Однако рассматривать его как достаточно массовый вид горючего для двигателей автомобиля было бы слишком оптимистично.

Хотя, как и обычный природный газ или пропан-бутан, биогаз может использоваться как топливо, но это скорее вариант для стационарных двигателей, установленных в местах, где много отходов животноводства и сельского хозяйства.

Непривычные, экзотические и забытые виды биотоплива

Здесь стоит коснуться древесины, которая может выступать как биотопливо. В первую очередь надо упомянуть скипидарно-спиртовую смесь, которая ещё в 1826 году использовалась в роли топлива. А ведь скипидар получают при пиролизе древесины. Есть отдельные упоминания, что при так называемом «быстром» высокотемпературном пиролизе сконденсирована жидкость, по своим характеристикам алогичная нефти.

Стоит вспомнить и прямое применение древесины как горючего для моторов. При сгорании древесины образуется окись углерода, которая и служит в качестве топлива. Во время Второй Мировой, Германией достаточно широко использовались машины с такими моторами, в том числе и легковые. В Советском Союзе так же были созданы газогенераторные автомобили, ЗИС 21, ЗИС 13, а также ГАЗ 42.

Работали они на обычных дровяных чурочках. Правда, при замене бензина на газ мощность двигателя падала, скорость движения и грузоподъемность тоже, а одной заправки газогенераторной установки хватало на девяносто километров пробега, но в условиях военного времени при дефиците других видов топлива и в удаленных местах такие автомобили успешно работали. И даже в Москве в военное время ходили автобусы, оснащенные газогенераторными установками.

Несмотря на всеобщее распространение бензина и солярки в качестве топлива для ДВС, постоянно идут поиски альтернативных источников получения горючего. И уже существует несколько самых разных видов биотоплива, способного обеспечить работу ДВС в любых условиях.

За последнее десятилетие слово «биотопливо» стало поистине заклинанием для поборников чистой энергии. Разработка новых видов такого топлива проходила все более бурно, привлекая все больше инвестиций.

Однако, оглядываясь назад, можно заметить, что большинство из этих исследований были просто пустой тратой времени и денег, говорится в аналитическом материале на сайте Oil Price. Многие стартапы утверждали, что смогут перерабатывать такую биомассу, как солома, древесная щепа, водоросли и другие органические вещества, в биотопливо экономически жизнеспособным методом. Некоторые даже заверяли, что себестоимость такого топлива не превысит 1 доллара за галлон.

Инвесторы, вдохновленные обещаниями, вкладывали огромные средства в разработки, не обращая внимания на то, что подобные им исследования были заброшены десятилетия назад из-за экономической нецелесообразности. Наиболее яркий пример – производство целлюлозного этанола. Преобразование соломы в этанол – это дорогостоящий процесс, и особо удешевить его не удается до сих пор.

Второй по значению ветвью исследований стало создание биотоплива из водорослей. Правда, эта идея вовсе не безнадежна, некоторые виды водорослей действительно производят масла, которые могут быть превращены в топливо. Собственно, сама сырая нефть, по существу, возникла из доисторических водорослей и планктона.

Тем не менее, разработчики и близко не подошли к тому, чтобы сделать процесс производства экономически эффективным. Обеспечение идеального баланса солнечного света и CO2 для успешного культивирования водных растений в промышленном масштабе, а также последующее удаление воды из готовой биомассы обходится неоправданно дорого.

И что мы имеем на сегодняшний день? Подавляющее большинство компаний по производству биотоплива из водорослей вышли из бизнеса. В прошлом году Greentech Media опубликовала далеко не полный список из 24 предприятий, которые отказались от дальнейших разработок в этом направлении.

Те, что не закрылись, полностью перешли в другие, более выгодные ниши рынка: изготовление косметики, нутрицевтических средств, добавок в корма для домашних животных и других специализированных продуктов.

Возможно, самая большая трагедия в данной ситуации состоит в том, что теперь разочарованные инвесторы вообще прекратят вкладывать деньги в такие исследования. Конечно, нельзя отрицать, что сейчас не существует технологии создания конкурентоспособного биотоплива из водорослей. Однако перспективы в этой сфере все же имеются.

Некоторые виды водорослей содержат до 40% липидов от общей биомассы, и их можно превратить в дизельное топливо, синтетическую нефть, бутанол или промышленные химикаты. Пока ни одна компания не смогла создать успешную бизнес-модель для этого, но в будущем такое вполне возможно.