Что такое биодизельное топливо, его преимущества и недостатки

Производство биодизеля

Мини-завод по производству биодизеля

Биодизель производится также из растительного сырья при помощи реакции переэтерификации. Растительное масло или жир под воздействием катализатора превращается в эфир метила. Производство биодизеля предполагает использование масел рапса, сои и некоторых других растений. Основная задача технологов в этом процессе – правильно подобрать катализатор. Тогда реакция идет быстрее и на выходе получается качественный биодизель. На данный момент уже освоена технология получения биодизеля не только из соломы, но и из древесного сырья, из опилок и щепы.

На крупных заводах применяется самая современная технология производства биодизеля, в корне отличающаяся от домашних способов. Вместо устаревших рекуперации и мойки топлива водой применяется струйная гидродинамическая кавитация, ультразвуковая, высокочастотная и полностью управляемая. Современные установки могут производить до 16 тысяч литров биотоплива в час! Гидродинамическая кавитация в прошлом служила только военным, и теперь нашла свое мирное применение в производстве биодизеля.

В отдельный вид биотоплива на сегодняшний день выделяется дизель из водорослей, то есть топливо третьего поколения. Для производства используют биоустановки — биореакторы, в которые в качестве питательной среды помещается двуокись углерода. Особый вид водорослей богат маслами, из которых и производится биотопливо.

Е.Щугорева

Эволюция биогазовых систем:

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.

Виды биотоплива

Как и другие вещества, биотопливо имеет три разновидности по своему агрегатному состоянию:

• Твердый тип производится на основе отходов сельского хозяйства либо деревообработки.
• Жидкий тип представлен биобутанолом, биоэтанолом, диметиловым эфиром, биодизелем.
• Газообразный тип: биоводород, биометан, биогаз.

Все три разновидности имеют свои специфические особенности, которые рассмотрены ниже.

Твердое биологическое топливо

Самый традиционный пример твердого биотоплива — дрова. С их помощью обогревают жилища уже несколько тысяч лет. Но это далеко не самый экологичный вид топлива, поскольку древесному фонду для возобновления требуются десятки лет.

Альтернативой дровам становятся пеллеты, которые производятся из некондиционной древесины — коры, веток, опилок, обрезков, а также щепы. Сырье перемалывается, затем из него под воздействием высокого давления и высокой температуры формируются мелкие цилиндрики или брикеты. Из-за правильной формы их удобно хранить. Кроме того, это прекрасный способ утилизации отходов деревообрабатывающей промышленности.

Помимо древесной массы для изготовления твердого топлива используют солому, ореховую шелуху, внешние оболочки растений. Такое сырье прессуется и гранулируется.

Не менее часто пеллеты изготавливают из навоза. Современные технологии позволяют устранить неприятный запах из такого вида топлива. Это хороший способ использования отходов жизнедеятельности животных. Кроме того, это дешевое сырье очень быстро возобновляется.

Жидкое биологическое топливо

Жидкое топливо служит альтернативой бензину, либо дополнением к традиционному автомобильному топливу. Различают пять основных видов жидкого биотоплива:

• Биометанол. В качестве сырья для его производства служат одноклеточные водоросли. Разведение таких водорослей не требует ни пресной воды, ни земельных площадей, а потому это одно из наиболее перспективных направлений развития биотехнологий.
• Биодизель — основан на смешивании эфиров жирных кислот. Он абсолютно безопасен, хранится три месяца, разлагается за четыре недели. Применяется как альтернативное автомобильное горючее либо как добавка к традиционному топливу.

• Биобутанол, является аналогом бутанола, но производится из растений: кукурузы, пшеницы, маниока и свеклы. Это вещество способно заменить традиционное автомобильное горючее.
• Биоэтанол получают из сырья, содержащего сахара и крахмал, путем спиртового брожения. Применяется для топки каминов, поскольку обладает высокой теплоотдачей и не образует побочных продуктов горения. Может использоваться в качестве добавки к автомобильному топливу, поскольку защищает мотор и снижает количество выбросов.
• Диметиловый эфир производится из отходов бумажного производства. Может применяться для изготовления автомобильного топлива для машин с LPG-двигателями.

Газообразное биологическое топливо

Основными типами газообразного биотоплива являются:

• Биоводород — аналог водорода. Получают его из органического сырья двумя способами — термохимическим (нагрев до 800 градусов без доступа кислорода) и биохимическим (легкий подогрев и микроорганизмы). Преимущество этого вида топлива — его возобновляемость. Для сырьевой массы используются органические отходы; бактерии, участвующие в переработке сырья, можно использовать неоднократно.
• Биогаз является аналогом природного газа. В его состав входит метан, углекислый газ, а также малое количество примесей (водород и сероводород). Если этот газ очистить от углекислоты, то получится биологический метан. Биогаз получается в результате метанового либо водородного брожения. Метановое брожение включает три этапа биологической обработки сырьевой массы: при помощи гидролизных бактерий, а также кислотообразующих и метанообразующих микроорганизмов. В качестве сырья служат отходы жизнедеятельности животных, водоросли, бытовые отходы. Сфера применения такая же, как у природного газа.

Биотопливо: производство в домашних условиях

Производство биотоплива в домашних условиях становится актуальным для многих фермерских частных хозяйств

Сделать биоуствановку гораздо сподручнее и легче и, что самое важное – дешевле чем приобрести или поставить, на самом деле, эффективный ветряк или собрать солнечную гелиоустановку

Рис №1. Биогазовая установка для небольших фермерских хозяйств промышленного производства

В состав установки по производству биотоплива входят:

1. Котел для нагрева горячей воды.
2. Выгрузочная труба.
3. Бункер необходимый для загрузки органического вещества.
4. Контейнер или емкость для сбора и хранения органического удобрения.
5. Перемешивающее устройство.
6. Выгрузочный бункер.
7. Главный реактор.
8. Отводное устройство для биогаза.
9. Водяной затвор.

Для подготовки смеси субстрата перед его помещением в реактор применяется подготовительная емкость, в ней органика размешивается с теплой водой, после чего осуществляется заправка биореактора полученной смесью. Для автоматизации процесса перемешивания используется встроенный миксер и фекальный насос для заправки реактора.

Биореактор делается на основе герметичной металлической емкости, ни в коем случае нельзя допустить утечки газа. Современные реакторы, изготовленные, в промышленных условиях выполняются из полимерных материалов, покрытых несколькими слоями утеплителя. В сам реактор встроены электрические ТЭНы, необходимость в них продиктована требованием ускорить процесс брожения за счет предварительного нагрева сырья, а также для использования установки в зимнее время.

Для перешивания субстанции, внутри реактора помещен электродвигатель с лопастями, закручивающими сырьевую массу по вдоль стенок емкости.

Для отвода газа служит газовая труба, газ движется по охладителю где происходит удаление жидкости, к газовой системе относится также манометр для определения уровня давления газа в системе, обратный клапан, газовый счетчик контроля, а также желательно использование фильтра для отделения сероводорода.

Для получения стабильности выходного газового давления необходим газгольдер, кроме этого он выполняет функцию буферного устройства для предотвращения нестабильности в получении и потреблении газа.

Что это такое?

Биотопливом называют вещество, получаемое из животного и растительного сырья, в том числе из продуктов жизнедеятельности человека, животных, простейших микроорганизмов и промышленных отходов органического происхождения. Самый распространенный вид — биоэтанол, многим известен как просто этанол.

Эти идеи продвигал еще Генри Форд. В начале 20 века он искал способы перевести свою модель TS на этанол. На момент создания дизельных двигателей они работали на арахисовом масле, тоже природный ресурс. Однако, было открыто множество месторождений нефти, от этого бензин стал более распространенным, как и дизельные виды. Из-за это о концепции биотоплива забыли. Сейчас самое время о ней вспомнить, когда цены на бензин растут, как и обеспокоенность человечества относительно экологических последствий от выбросов углекислого газа.

Интересно, что дизельное топливо и бензин тоже можно отнести к биотопливу, только очень древнему. Нефть образована из животных и растений, которые умерли и разложились миллионы лет назад, и теперь покоятся под землей. В данном случае мы говорим не про то топливо органического происхождения в общем смысле, а про такое, которое мы можем произвести в данный момент.

Сырье для производства биодизеля

На данный момент отмечается, что основным сырьем для выпуска биодизеля является растительное масло.

Таблица 1. Свойства растительного масла

Наименование масла	Плотность при 15 °С, кг/дм3	Тепловая способность, мДж/кг	Вязкость при 20°С (мм/с)	Цетановое число	Температура загустения, °С	Температура воспламенения, °С	Йодное число
Рапсовое	0,92	37,6	72,3	40	0… –3	317	94–113
Подсолнечное	0,93	37,1	68,9	36	–16… –18	316	118–114
Кукурузное	0,93	37,1	65,5	38	–8… –12	340	–
Соевое	0,93	37,1	63,5	39	–8… –18	350	114–138
Льняное	0,93	37,0	51,0	52	–18… –27	–	169–192
Оливковое	0,92	37,8	83,8	37	–5… –9	–	76–90
Хлопковое	0,93	36,8	89,4	41	–6… –14	320	90–117
Пальмовое	0,92	37,0	29,4	42	27–43	267	34–61

Рапсовое масло. Обладает относительно высокой стойкостью к окислению. Содержание йода (IV) в нем ниже, чем 120 единиц, оно удобно для использования в зимних условиях, а рапс дает большие урожаи. Поэтому значительные площади заняты именно этой культурой под сырье для биодизеля.

Подсолнечное масло. В настоящее время урожаи подсолнечника ниже, чем урожаи рапса, однако он хорошо произрастает в странах с теплым и сухим климатом. Содержание йода (IV) в нем выше, чем 120 (согласно европейскому стандарту EN 14214, его не должно быть более 120), поэтому его приходится смешивать с другими маслами, содержащими меньшее количество йода.

Животные жиры и отходы пищевых жиров. Применение этого вида сырья в Европе определяется стандартом EN 14241. Животные и пищевые жиры содержат повышенное количество полимеров, но они получили распространение в тех странах, где довольно дешевы и обеспечивают достаточную доходность.

Соевое масло. Оно получило широкое распространение в США и Аргентине. Масло сои имеет повышенное содержание йода (более 120), однако на него не распространяется действие европейского стандарта EN 14214, а американский стандарт D-6751–02 не содержит подобных ограничений. Пальмовое масло. Широко используется в Малайзии с 1987 года для производства биодизеля. Из-за характерной для пальмового масла температуры снижения жидкотекучести при +11 °C его применение ограничено странами с теплым климатом (может использоваться в них только в смесях с другим сырьем).

Другие источники. Потенциальные возможности использования других семян масличных культур в качестве сырья для получения биодизеля полностью еще не исследованы. Применение ореховых масел начато в Никарагуа, опыты по использованию хлопкового масла успешно проведены в Греции.

Семена новых масличных культур. Для получения биодизеля с оптимизированными свойствами могут рассматриваться культуры с минимальным содержанием полиненасыщенных жирных кислот, типа линолевой кислоты (18:3); с максимальным содержанием мононепредельных жирных кислот, типа олеиновой кислоты (18:1), чтобы обеспечить хорошую стабильность в сочетании с удобством зимнего использования; с минимальным уровнем насыщаемых жирных кислот (16:0) и стеариновой кислоты (18:0) для удобства зимнего использования.

Энергоэффективность биомассы

Чистая энергоэффективность биомассы рассчитывается как отношение получаемой к энергии, используемой при ее производстве. Затраты энергии на производство являются суммой ресурсов, используемых для производства семян, удобрений, пестицидов, агропроизводства, использования техники, хранения биомассы, а также транспортировки.

Полученную энергию рассчитывают как отношение выхода сухого вещества и валовой калорийности биомассы. Произведенная чистая энергия должна быть уменьшена на 10% неизбежных потерь урожая.

Наибольшая чистая энергия была получена при выращивании зерна кукурузы и пшеницы, а также травянистого растения мискантуса, благодаря  высокой урожайности этих культур.

Производство каждой культуры сопряжено с определенными затратами, в случае известных растений выращивание картофеля характеризовалось наибольшими затратами.

Таким образом, энергоэффективность сельскохозяйственных культур выражалась как соотношение между энергетической ценностью урожая и инвестициями в выращивание. Эта величина во многом обусловлена интенсивностью производства и условиями произрастания растений.

Жидкое биотопливо

Этот вид энергии приобретает популярность благодаря возможности использования в двигателях внутреннего сгорания. Это безопасный и экологически чистый источник питания для автомобилей и различной техники, в результате использования которого выделяется минимальное количество вредных остаточных продуктов. В такой концепции снижается вредное влияние на окружающую среду и внутренние детали мотора.

Классификация энергоресурсов выглядит следующим образом:

• Биобутанол;
• Биодизель;
• Биометанол;
• Биоэтанол.

Применение жидких материалов известно в домашних каминах, печах. Образует минимальное количество серы и сажи при сгорании.

Биоэтанол из растительных культур

Лидирует в списке альтернативных источников питания, применяемых для обеспечения потребностей подвижных машин и механизмов. Примером использования является смешанный с бензином биоэтанол. Для получения используется растительное сырье, — культурные растения. Технология производства основывается на спиртовом брожении на сахаре из таких видов сырья как кукуруза, тростник, свекла, некоторые зерновые, содержащие целлюлозу.

Биобутанол для заправки автомобилей

Положительная практика использования четырехуглеродного спирта, получаемого при ферментации растительного сырья, основывается на минимальном количестве выбросов. Существуют аналоги, вырабатываемые из нефти. Известно применение в крупной промышленности в замкнутом цикле производства. В настоящее время происходит улучшение технологии с целью формирования перспективы получения виду дороговизны бензина на рынке.

В сравнении с этанолом обладает следующими достоинствами:

• Обладает высоким энергоресурсом;
• Смешивается с бензином для получения обогащенной топливной смеси;
• Химически устойчив;
• Более экологическое топливо;
• Характеризуется подтвержденными значениями сниженных CO и NOx.

Диметиловый эфир c 2 h 6 o

Производится из биомассы (угля или природного газа), в том числе из отходов целлюлозно-бумажных предприятий. Сжижение вещества происходит уже на низких давлениях. Первой из стран, взявшей на вооружение диметиловый эфир как биотопливный материал, стал Китай. Применение на практике ввиду чистоты продукта не требует установки фильтрующих систем. Для повышения эффективности сжигания необходимо некоторое перестроение оборудования и системы зажигания моторов. Вслед за Китаем концепция внедрения альтернативного источника энергоресурсов принята Московским департаментом транспорта. Сегодня использование биотопливного сырья возможно на таких автомобилях как Volvo, KAMAZ и Nissan .

Биометанол из одноклеточных водорослей

По составу и свойствам является аналогом обычного метанола. Применение материала достаточно широко развито в промышленности. Используется в качестве сырья для изготовления веществ группы формальдегидов, кислоты уксусной, растворителей.

Производство биометанола актуально вдали от газовых месторождений. Для этих целей используются целые плантации зеленых водорослей (в том числе искусственно культивируемых), которые впоследствии сбраживаются до простейшего спирта. Фитопланктон на практике обладает достаточно высокой продуктивностью. В отличие от других технологий, не задействует вода и почва, не оказывается влияние на соседствующие отрасли, например, сельское хозяйство.

Биодизель как альтернатива транспортному горючему

Истощение ископаемых природных ресурсов ставит перед современным поколением серьезную проблематику. Преимущества биодизеля как биотоплива состоит прежде всего в том, что его начинают активно получать и использовать в домашних хозяйствах. Именно так происходит в Европе, где на этом типе энергоносителя работают системы обогрева помещений, садовая техника, машины и агрегаты. Европейцы несколько десятилетий используют такой продукт для езды на автомобиле.

Биокамин

Для собственных жилых помещений, прежде всего для создания атмосферы тепла и уюта используются камины, работающие на биотопливе.

Биокамины работают в автономном режиме и имеют ряд преимуществ – это:

1. Абсолютная мобильность, вес устройства не более 100 кг при желании его можно переместить без особого труда
2. Камин не нуждается в отдельном дымоходе, не нужно согласовывать разрешения на установку.
3. Пожарная безопасность устройства, обусловленная его конструктивными особенностями.

Из недостатков свойственным биокаминам характерно сжигание кислорода, и происходит выделение углекислого газа в виде пара и влаги.

Так как специализированное топливо для биокамина продается далеко не на каждом углу и стоит довольно дорого, биотопливо для каминов своими руками можно сделать в домашних условиях. Для этого понадобится медицинский спирт, продается практически во всех аптеках, в него добавляется бензин, используемый для заправки зажигалок примерно 10-я часть от спирта, смесь взбалтывается и заливается в горелку, 50 грамм смеси хватает на полчаса.

Общие положения

Основные понятия

Начнем с определения того, что такое биотопливо. Рассматриваемый вид энергоносителя является полностью органическим и при наличии соответствующего оборудования может использоваться для отопления жилых домов, заправки автомобилей, питания промышленных установок и так далее.

Газообразное, жидкое или твердое биотопливо может производиться из различных сельскохозяйственных растений (например, из рапса), а также продуктов жизнедеятельности животных и человека (биотопливо из навоза). То есть, сырьем для его изготовления служат, как правило, те продукты, которые ранее отправлялись на свалку.

Сырьем для производства биотоплива служит органика

Кроме того, к преимуществам рассматриваемого типа энергоносителей можно отнести их экологичность. При сгорании выделяется намного меньше вредных веществ, влияющих на состояние окружающей природной среды. Это выгодно отличает котлы на биотопливе от отопительного оборудования на солярке или газе, которые славятся своими канцерогенными выхлопами.

Но биологическое топливо имеет и существенные недостатки:

• низкая теплоемкость – жидкое биотопливо, сгорая в теплообменнике, выделяет меньшее количество тепла, чем аналогичный объем бензина или дизельного топлива;
• высокая себестоимость производства – современные технологии еще не позволяют производить биотопливо – жидкое, твердое или газообразное – в промышленных масштабах, потому его цена несколько выше, чем традиционных энергоносителей;
• сильные коррозийные свойства – растительные масла и животные жиры, входящие в состав органических энергоносителей, оказывают сильное разрушительное воздействие на механизмы, что затрудняет их использование в двигателях внутреннего сгорания и других подобных системах.

В настоящее время получение биотоплива с менее агрессивными свойствами и более дешевыми способами является одним из приоритетных направлений научных исследований ученых всего мира. Огромный прогресс в этой области позволяет с уверенностью говорить, что от большинства недостатков этого вида энергоносителей можно будет избавиться в ближайшее время.

Органическое топливо не лишено недостатков

Уже сейчас широко используется биотопливо для теплиц и других агротехнических сооружений. Газ, полученный в результате переработки навоза, или пеллеты применяются для создания комфортного микроклимата, в котором произрастают различные сельскохозяйственные культуры. (См. также статью Отопление теплицы зимой: особенности.)

Поколения биотоплива

Еще на заре исследований, связанных с разработкой энергоносителей из отходов сельского хозяйства, ученые высказывали опасение, что в будущем, когда биологическое топливо получит широкое распространение, могут возникнуть продовольственные проблемы. Это возможно, если сельскохозяйственные культуры (кукуруза, рапс, маис) будут использоваться не по прямому назначению, а для перегонки в топливо.

Чтобы избежать этого, ученые искали другие биотопливные источники энергии. В результате их исследований появилось биотопливо второго поколения и более новые его разновидности.

К ним относятся вещества, получаемые не из самих растений, а из их отходов: листьев, шелухи, корневищ и так далее. Ярким представителем этой разновидности теплоносителя является биотопливо из опилок и навоза – газ, состоящий из метана и углекислоты, который в обиходе носит название «канализационного».

По составу он абсолютно идентичен природному ископаемому метану. После того как из него будут удалены ненужные элементы, он может использоваться с целью получения этанола для печей, отапливающих те или иные сооружения.

На фото – водоросли, из которых производится органическое топливо

Наиболее инновационное биотопливо – презентация которого проходила не так давно – производится из водорослей. Эти подводные растения могут выращиваться в водоемах, которые не подходят для сельскохозяйственных нужд. Боле того, их можно культивировать в так называемых фитобиореакторах.

По мере развития эти организмы образуют молекулярные структуры, напоминающие по своему строению структуру нефти. Биотопливо из водорослей – наиболее перспективная разработка, однако, до ее практического применения еще очень далеко.

Установка для производства органического энергоносителя из водорослей

Опубликовано 02.06.2020 Обновлено 13.06.2020 Пользователем admin

Используемое биотопливо

Преобладающим биотопливом, используемым в настоящее время, является этанол на основе зерна, обычно производимый из кукурузы или пшеницы.

Однако производство этанола требует большого количества земли и воды, а также затрат удобрений и энергии. Это приводит к потенциальной конкуренции с источниками продовольствия для землепользования и с другими промышленными и коммерческими потребностями в воде.

Нынешняя технология является достаточно энергоемкой, и большая часть энергии поступает от электричества или отопления на основе ископаемого топлива, компенсируя некоторые преимущества. По некоторым оценкам, это исключает все преимущества и массовое производство биотоплива как источника биоэнергии имеет низкую энергетическую рентабельность.

Таким образом, производство этанола требует большого количества земли и воды, а также затрат удобрений и энергии.

Один из анализов ученых показал что, если бы все мировое производство зерновых культур было преобразовано в этанол, не оставляя ничего для продовольствия, общий объем производства составил бы приблизительно 14 миллионов баррелей нефтяного эквивалента в день. В отличие от этого, текущая добыча сырой нефти составляет примерно 85 миллионов баррелей нефтяного эквивалента в день.