Из чего делают биотопливо | Промо-Карта

Развитие биотехнологий не стоит на месте. Для изготовления биологического топлива, в качестве альтернативного источника энергии, используется большое количество вариантов. Если рассматривать их с научной точки зрения, то можно выделить три поколения сырья. Одни компании применяют уже известные технологии, другие пытаются найти более рациональный и экономически выгодный путь, но цель у всех одна. Она заключается в снижении уровня загрязнения окружающей среды. Конечно, настрой на экономическую выгоду здесь тоже очевиден, но экологов и общественность это уже меньше интересует. Если у кого-то получится найти золотую середину между производством биотоплива с минимальными экономическими затратами, то всем от этого будет только хорошо.

 

Топливо первого поколения делается из растительных культур. Львиная доля биотоплива производится исключительно из растительных культур. Ключевая позиция принадлежит кукурузе. Ежегодно в США на приготовление этанола уходит почти весь урожай. С одной стороны, топливо весьма устойчивое и высокого качества, с другой, потребителю практически ничего не остается. То есть кукуруза перестает быть продуктом питания, а становится чисто промышленной культурой. Производители отмечают, что в процессе переработки получается много отработанного зерна, которое вполне пригодно для питания крупного рогатого скота. Отчасти это неплохое развитие событий.

 

Конкурирующей культурой для кукурузы является сахарный тростник. Растет он преимущественно в жарких странах, поэтому широко распространен именно там. Хоть и производительность из сахарного тростника на порядок выше, исходя из экономических соображений, кукурузный этанол будет на вершине производства еще долгие годы.

 

Вторую позицию по использованию в качестве сырья занимают рапс и соя. Эти культуры невероятно богаты растительными маслами, что позволяет использовать их в качестве сырья для приготовления биодизеля и топлива для реактивных самолетов. Проблема данного вида топлива в том, что эти культуры тоже весьма ограничены в сельском хозяйстве, они могут быть использованы для питания людей и несут иную экономическую выгоду. Для их выращивания требуется много почвы и специализированный уход, что существенно увеличивает стоимость производства биотоплива.

 

Простым в получении является метан, но его применение больше ориентировано на бытовые нужды, например. С целью экономии природного газа. Для широкого применения в автомобильной промышленности требуется смена оборудования, что финансово накладно и не является рациональным решением. Газ, полученный в процессе распада органических соединений, получают даже фермеры, для этого не требуется немыслимого оборудования и особых навыков.

Из чего делают биотопливо сегодня? | Техника и Интернет

Кукуруза

На сегодняшний день больше всего биотоплива в США получают из кукурузы. Кукурузный этанол — устойчивое топливо. Но чем больше кукурузы уходит на биотопливо, тем меньше её используется в качестве продукта питания.

Сторонники кукурузного топлива утверждают, что после переработки зерна остаётся побочный продукт — зерновой дистиллят, который может быть использован в качестве корма скота. Это, безусловно, лучше чем ничего.

Даже с учётом побочных продуктов эксперты рассматривают кукурузу в качестве сырья для биотоплива лишь как промежуточное временное решение. Многие растения, переработка которых возможна уже в настоящее время, превосходят кукурузу по выходу биотоплива. Например, сахарный тростник.

Впрочем, по причинам экономическим и технологическим в ближайшее время кукуруза, скорее всего, не уступит пальму первенства.

Соя и рапс

Соевые бобы и рапс — культуры, богатые растительными маслами. Их широко используют для производства биодизеля и биотоплива для реактивных двигателей самолётов.

Преимущества сои и рапса как сырья для биотоплива в простоте переработки, недостатки те же, что и в случае с кукурузой. Соя, как и рапс — пищевая культура. Соевое и рапсовое масло можно использовать для питания людей, вместо того чтобы заливать в самолётные баки. Кроме того, производственные ресурсы культур ограничены.

Как и кукуруза, соя — лишь промежуточное решение, с которым приходится мириться, не имея ей реальной альтернативы.

Сахарный тростник

В мире производства биотоплива сахарный тростник сегодня называют второй кукурузой. Возможно, в ближайшее десятилетие или чуть позже, позиции в рейтинге изменятся.

Если при переработке кукурузы и сои на биотопливо в основном используются семена, то наиболее ценная часть сахарного тростника — стебель. Растение используется в большей степени, что влияет на эффективность переработки.

Ввиду того, что сахарный тростник растёт лишь в тропиках, его производство ограничено естественными причинами. Тем не менее технология переработки тростника отработана и широко используется в тех странах, где это позволяет климат. Например, в Бразилии.

Метан

Метан — преобладающий компонент природного газа. Но в последние годы он рассматривается как биотопливо, потому что этот газ можно получать из биологического сырья.

Ценность метана как биотоплива ещё и в том, что он образуется в результате естественных природных процессов разложения органики и выделяется в атмосферу, вызывая парниковый эффект более сильный, чем углекислота. Избыточный метан в атмосфере для климата опаснее, чем углекислый газ.

Микроорганизмы производят метан, разлагая биомассу любого происхождения. На крупных свалках газ образуется сам по себе без дополнительных усилий со стороны людей. Его собирают, просто установив в мусорных отвалах трубы.

Различных конструкций биореакторы, перерабатывающие пищевые и другие биологические отходы, работают по всему миру. С их помощью получают метан как мелкие фермеры, так и относительно крупные коммунальные предприятия. Обычно «доморощенный» метан смешивают с природным газом, экономя последний.

Эксперты считают, что широкому использованию метана в качестве моторного биотоплива мешают технологические сложности, связанные с переоборудованием двигателей автомобилей и строительством заправок. Но в ряде случаев, например, в общественном транспорте, эти трудности легко преодолимы.

Из какого же сырья будут производить биотопливо в ближайшем будущем? Об этом в следующей статье.

Биотопливо для автомобилей

Автор admin На чтение 8 мин. Просмотров 338

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;
• газ.

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:

1. детонационную стойкость;
2. теплоту сгорания;
3. 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.

Мне нравится1Не нравится

Что еще стоит почитать

Особенности производства биодизеля. Cleandex

Биодизель является альтернативным видом топлива для дизельных двигателей.

Биодизель (дизельное биотопливо) представляет собой сложный метиловый эфир с качеством дизельного топлива, производимый из масла растительного или животного происхождения и используемый в качестве биотоплива. Химическая формула – С13Н24.

Технология производства

Механизм получения биодизеля заключается в проведении реакции этерификации – взаимодействия жирных кислот с метиловым спиртом в присутствии катализатора (щелочного или кислотного).

Соотношение растительного масла и метанола составляет приблизительно 9:1.

Рисунок. Технология производства биодизеля 

 

Реакция начинается медленно и в зависимости от перемешивания занимает всего 3–6 минут. Чтобы получить хороший выход биодизеля ее необходимо провести дважды. Затем все это декантируется: глицерин – на дне, и верхняя фракция – эфир – передается на вторую стадию реакции. Снова простое смешивание с метанолом и катализатором в течение нескольких минут завершит процесс этерификации, и второй статический декантер разделит фракции глицерина и эфира.

Реакция идет при любой температуре, т. е. диапазон от 20 oС до 90 oС является приемлемым. Каждые 10 oС удваивают скорость реакции, некоторые источники рекомендуют температуру 55 oС для повышенной безопасности процесса, так как метанол закипает при 65 oС.

Из одной тонны растительного масла и 111 кг спирта (в присутствии 12 кг катализатора) получается приблизительно 970 кг (1100 л) биодизеля и 153 кг первичного глицерина.

Сырье

Для производства биодизеля подходят любые растительные масла, твердые масла животного происхождения, отходы масложирового производства или скотобоен.

В качестве растительных масел могут использоваться подсолнечное, рапсовое, льняное и др. В зависимости от используемого сырья качественные показатели биотоплива разнятся. Так, например пальмовый биодизель имеет наибольшую калорийность, но быстро замерзает при относительно высоких температурах. Рапсовый биодизель несколько уступает пальмовому по калорийности, но лучше переносит холод.

Таблица. Объем производства растительного масла с 1 га некоторых сельхозкультур

Оптимальным сырьем для производства биодизеля служит рапс. Процент выхода дизельного топлива из 1 т рапсового масла – 96%.

По удельному весу в мировом производстве масличных культур рапс занимает третье место после сои и хлопка, опередив подсолнечник.

Различают рапс двух сортов – озимый и яровой с несколько различными показателями урожайности и масличности. Урожайность маслосемян сортов озимого рапса может достигать 60 ц с га, а яровых сортов – 45 ц с га. Среднее содержание масла в семенях – 40–50%.

Рапс является отличной культурой для севооборота с пшеницей. Он хорошо структурирует почву, в результате повышение урожайности зерновых, посеянных после рапса, составляет до 10–15 ц с га. 

Организация производства

Производство биодизеля отличается более простой в сравнении с биоэтанолом технологической цепочкой. В результате некоторые фермерские хозяйства имеют пару бочек для проведения химических реакций между растительным маслом и метиловым спиртом в качестве эксперимента. В процессе производства биодизеля на каждый его галлон требуется затратить 0.083 кВт/ч электроэнергии и 10 Ккал тепловой энергии, получаемой от сжигания природного газа.

Оценку основных параметров организации производства биодизеля можно провести на примере испанского завода:

Мощность: 21 000 м3 биодизеля в год 
Инвестиции: 8.2 млн евро 
Персонал: 18 человек 
Территория: 6 000 м2 (здания — 2,300 м2) 
Число реакторов: 3 
Сырье: соевое масло, пальмовое масло 
Хранение масла: 300 м3 
Емкости для метанола: 60 м3 
Емкости для готового биодизеля (B100): 400 м3 
Емкости для глицерина: 100 м3

По экспертным оценкам, стоимость строительства заводов по производству биодизеля – от 0.2 до 0.5 доллара на литр мощности.

При организации производства биодизеля — дополнительную прибыль можно получить от реализации получаемого глицерина.

 

Более подробная информация об особенностях производства биодизеля в условиях российского рынка представлена в отчете «Маркетинговое исследование рынка биотоплива» 

Источник: Cleandex.ru/Research.Techart

Биотопливо из водорослей. Cleandex

По своим энергетическим характеристикам водоросли значительно превосходят другие источники.

200 тысяч гектаров прудов могут производить топливо, достаточное для годового потребления 5% автомобилей США. 200 тысяч гектаров — это менее 0,1% земель США пригодных для выращивания водорослей.

Однако, водоросли, содержащие большее количество масла, растут медленнее. Например, водоросли, содержащие 80% нефти вырастают раз в 10 дней, в то время как, водоросли, содержащие 30% -3 раза в день.

Производство водорослей привлекательно еще и тем, что в ходе биосинтеза поглощается углекислый газ из атмосферы.

Однако, основная технологическая трудность заключается в том, что водоросли чувствительны к изменению температуры, которая вследствие этого должна поддерживаться на определенном уровне (резкие суточные колебания недопустимы).

Также коммерческому применению водорослей в качестве топлива препятствует на сегодняшний день отсутствие эффективных инструментов для сбора водорослей в больших объемах. Также необходимо определить наиболее эффективные для сбора масла виды.

Технологии выращивания водорослей

Департамент Энергетики США исследовал водоросли с высоким содержанием масла по программе «Aquatic Species Program». Исследователи пришли к выводу, что Калифорния, Гаваи и Нью-Мексико пригодны для промышленного производства водорослей в открытых прудах. В течение 6 лет водоросли выращивались в прудах площадью 1000 м2. Пруд в Нью-Мексико показал высокую эффективность в захвате СО2. Урожайность составила более 50 гр. водорослей с 1 м2 в день.

Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи электростанций. Сбросное тепло ТЭЦ способно покрыть до 77 % потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей. Эта технология не требует жаркого пустынного климата.

Компания BioKing приступила к серийному производству запатентованных биореакторов по разведению водорослей, пригодных к немедленной эксплуатации, которые включают быстрорастущие водоросли с высоким содержанием масла.

Испанские ученые нашли один из видов микроводорослей, которые способны гораздо быстрее размножаться, чем другие биологические собратья при определенном освещении. Если в открытом море каждый кубометр воды приходится до 300 экземпляров водорослей, то исследователи получили 200 млн. экземпляров на тот же кубометр воды.

Микроводоросли растут в пластиковом цилиндре диаметром в 70 см и длиной в 3 м. Водоросли размножаются делением. Они делятся каждые 12 часов, и постепенно вода в цилиндре превращается в зеленую плотную массу. Один раз в день содержимое цилиндра подвергается центрифугированию. Остаток представляет собой практически стопроцентное биотопливо. Насыщенная жирами часть этой массы преобразуется в биодизель, а углеводороды — в этанол.

Разработки биотоплива из водорослей

Корпорация Chevron, один из мировых энергетических гигантов начали исследование возможности использования водорослей в качестве источника энергии для транспорта, в частности, для реактивных самолетов. В ходе исследований будут изучены виды водорослей, которые содержат максимальный процент масел в своем составе, а также разработаны методы культивирования водорослей.

Компания Honeywell, UOP недавно начала проект по производству военного реактивного топлива из 
водорослевых и растительных масел.

Компания Green Star Products завершила вторую фазу испытаний демонстрационного завода по производству биодизеля из водорослей в Монтане. Во время второй фазы выбирались оптимальные условия для выращивания водорослей штамма zx-13.

GSPI разработала гибридную систему выращивания водорослей в прудах — Hybrid Algae Production System. Обычные водоросли живут при температуре воды около 30 по Цельсию, zx-13 выживают при температуре около — 44. zx-13 также продемонстрировали хорошую устойчивость к повышенному содержанию солей в воде.

Однако, во второй фазе испытаний GSPI не удалось отработать технологию сбора водорослей. Водоросли созрели раньше, чем ожидалось, и оборудование ещё не было готово. Технология GSPI позволяет собирать водоросли размером более 2 мкрн. Водоросли меньшего размера возвращаются в пруд для дальнейшего выращивания.

На следующем этапе технология GSPI будет испытываться на пруду площадью 100 акров. Ведутся переговоры о размещении 100-акрового пруда в Калифорнии, Миссури и Юте. В дальнейшем возможно увеличить площадь до 500 — 1000 акров.

Крупная энергетическая компания Японии Tokyo Gas Co намерена построить демонстрационный завод, на котором из морских водорослей будут получать электричество. Для работы газовых генераторов на станции будет использоваться метан, выделяемый из мелко изрубленных водорослей.

Для ряда японских префектур, включая столичную, загрязнение побережья водорослями остается серьезной экологической проблемой. Они нередко выделяют при гниении зловонный запах и портят пейзаж.

Между тем новейшая разработка японских специалистов предлагает решить эту проблему с экономической выгодой. Экспериментальная модель завода с газовым электрогенератором, которая уже работает в лаборатории несколько лет, позволяет в день уничтожать до 1 тонны водорослей.

При этом вырабатывается около 9,8 киловатт электроэнергии. Эта пилотная установка позволяет получать около 20–30 куб метров метана в месяц — этого объема достаточно, чтобы ровно на половину сократить месячный расход на электричество средней семьи.

По подсчетам Tokyo Gas, строительство предприятия, в зависимости от производственной мощности, требует от нескольких десятков млн до 200 млн иен.

Испанская фирма Bio-Fuel-Systems планирует не только изготовлять из водорослей горючее, но и снижать уровень двуокиси углерода, который образуется при производстве электроэнергии с использованием органических видов топлива. В 2008 году запланировано строительство подобной установки в районе города Аликанте.

Компании Shell и HR Biopetroleum намерены построить на Гавайских островах опытный завод по получению растительного масла из микроводорослей и его дальнейшей переработке в биотопливо.

Микроводоросли будут выращивать на месте, в специальном открытом бассейне с морской водой. Виды микроводорослей будут отобраны для дальнейшего использования из местных образцов морских организмов, в качестве критерия отбора будут использованы быстрый рост водорослей и максимальный выход растительного масла

Авиационная промышленность также заявила о начале разработок по использованию морских водорослей, в качестве сырья для производства авиационного топлива. Компания Боинг сообщила, что альтернативой биодизелю, произведенному из морских водорослей, в будущем может стать производство авиационного биотоплива.

Согласно документу, никакое биотопливо, которое сегодня производится, не может быть использовано в качестве авиационного топлива. Этанол поглощает воду и разъедает двигатель и топливный провод, в то время как биодизель замерзает при низких температурах (на крейсерской высоте). Кроме того, биотопливо обладает более низкой термической стабильностью, чем обычное реактивное топливо.

Специалисты Боинга считают, что оптимальным сырьем для производства биотоплива станут морские водоросли, из которых получают в 150 — 300 раз больше масла, чем из сои. По их мнению, биотопливо из водорослей — это будущее для авиации. Так, если бы весь флот авиалиний мира по состоянию на 2004 год использовал 100% биотопливо, полученное из морских водорослей, понадобилась бы 322 млрд. литров масла.

Для выращивания этих водорослей необходима земля площадью 3,4 млн. га. В расчете принято, что с одного гектара получается 6 500 литров ежегодно. Для этих целей, возможно, использовать земли, которые не пригодны для выращивания пищевых сельхозкультур.

Энергетические растения для биотоплива, из чего делают биотопливо — Пропозиция

Наиболее актуальными задачами, стоящими перед государством, является сокращение потребления слишком дорогим импортного топлива — природного газа и нефти — и поиск собственных альтернативных возобновляемых источников энергии с одновременным решением экологических проблем и развитием энергосберегающих технологий.

Энергетические растения: перспективы выращивания

Известно, что через пять-десять лет разведанные запасы нефти будут исчерпаны на 60-65%, добыча сократится на 30-40%, а потребность в потреблении увеличится. Кроме того, по расчетам ученых, разведанных мировых запасов природного газа хватит только на 50-60 лет, нефти — на 25-30, угля — на 500-600 лет. Поэтому все больше возникает потребность привлекать нетрадиционные источники энергии, созданные на основе биоэнергетического сырья.

Активное наращивание промышленного производства приводит к загрязнению окружающей среды (воды, почвы, воздуха). Достаточно вредным и опасным для живых организмов является загрязнение природной среды токсичными веществами, тяжелыми металлами, а выбросы в атмосферу промышленными предприятиями большого количества СО2 вызывают большую опасность для окружающей среды и приводят к созданию парникового эффекта.

Но в последние годы как в мире, так и в Украине в частности, в связи с подорожанием энергоносителей, все больше внимания стали уделять биотопливу товары из высокопроизводительных энергетических растений.

Энергетические растения: мировой опыт

Производство энергии из возобновляемых источников, включая биомассу, динамично развивается в большинстве европейских стран. Например, основным растение для производства биотоплива в Бразилии является сахарный тростник, в США — кукуруза (из 1 т кукурузы на силос можно получить от 200 до 400 м3 биогаза). В европейских странах, а особенно в Германии, постоянно увеличивается производство биотоплива из сахарной свеклы.

Одним из самых перспективных альтернативных источников энергии на сегодня является твердая биомасса органического происхождения, в том числе и растительного, которая является экологически чистым возобновляемым источником энергии. Энергия биомассы эквивалентна 2 млрд т у. п. / год, что составляет около 13-15% общего использования первичных энергоресурсов мира. Доля Украины, по некоторым оценкам, составляет около 50 млн т у. п., но экономически целесообразный потенциал биомассы (биотопливо) оценивается в 27 млн ​​т у. п. / год.

Значительное внимание в мире уделяется проблеме переработки биомассы с целью получения биотоплива. Биомасса (биотопливо) в энергетике может быть использована непосредственно путем сжигания или как топливо — после предварительной переработки на дизельное топливо, этанол или газ.

Особенности выращивания энергетических растений

Источником энергетического сырья могут быть как побочные продукты растительного происхождения (биотопливо из соломы, подсолнечной лузги, стеблей кукурузы и т.д.), ежегодные отходы которых составляют до 50 млн т, так и специально предназначенные для этого т. Н. энергетические растения, которые являются главным абсорбентом углекислого газа, уменьшая его количество в атмосфере. Они образуют высокие урожаи биомассы (биотопливо), которую можно было бы использовать на энергетические цели для производства биотоплива. Привлечение этого потенциала для производства энергии может удовлетворить около 12-15% потребностей Украины в первичной энергии.

Энергетические растения ценные большим урожаем и неприхотливостью к выращиванию. За относительно короткий временной период могут давать большие приросты биомассы. В пересчете на эквивалент энергии расходы на выращивание таких культур значительно меньше, чем стоимость энергоносителей, полученных из традиционных источников. Использование растительной биомассы при условии ее непрерывного обновления (например, новые лесные насаждения после вырубки леса) не приводит к увеличению концентрации СО2 в атмосфере.

Выбор той или иной энергетической культуры зависит от многих факторов: тип почв, местонахождение участка и доступ к влаге, вид ландшафта и тому подобное. Обязательно нужно определиться со сроками и способами сбора урожая, его хранением, переработкой и транспортировкой (экономически целесообразна расстояние транспортировки биомассы как топлива не должна превышать 50 км).

Большое количество растений была исследована для определения потенциальной возможности использования их в качестве энергетических культур (биотопливо), но только немногие виды достигли коммерческого уровня i выращиваются на больших площадях. Среди них наиболее распространенными являются: мискантус, свитчграс, ива, тополь (высаживают их примерно на 10-15 — до 30 лет, подготовка почвы для их выращивания не требует больших энергетических затрат, урожай собирают зимой или весной с использованием обычной сельскохозяйственной техники), а также сахарные и кормовую свеклу и сахарное сорго.

Энергетические растения — мискантус

Относится к семейству злаковых (Gramineae). Это многолетнее травянистое культура с хорошо развитой корневой системой, которая достигает 2,5 м глубины и больше. Такая корневая система способствует очень хорошем использованию элементов питания и воды из почвы. Стебель очень прочным и отличается большой выносливостью к механическим повреждениям, поскольку содержит большое количество лигнина и целлюлозы. Растения довольно хорошо перезимовывают, устойчивые к осадкам и сильного ветра в зимний период. В натуральном среде растения мискантуса растут до 2 м высотой и более.

Требовательность мискантуса по воде намного выше, чем больше среднегодовые осадки в Украине — около 700 мм осадков в год. Но несмотря на это, потребление воды на выработку 1 кг сухой массы достаточно невысокое (около 250-300 кг). Почвы под посев мискантуса выбирать некислые (рН = 6,5), особенно в течение первых двух лет выращивания, с уровнем грунтовых вод ниже 1 м. Способ размножения влияет на зимовку посева первого года выращивания. Растения, размноженные делением корневищ, зимуют лучше, чем размножены из культур способом in vitro. Среди них лучше перезимовывают растения крупные (более пяти почек), чем малые (до пяти почек).

Продолжительность выращивания растений на одном поле — до 20 лет, период коммерческого выращивания — около 15 лет. Биомассу можно собирать ежегодно. Ее рассматривают прежде всего как восстановительное источник энергии. Учитывая высокое содержание целлюлозы и лигнина мискантус также ценным сырьем для производства строительных материалов, в целлюлозно-бумажной промышленности и в сельском хозяйстве. Производственные затраты на выращивание мискантуса в различных европейских странах равны 35-105 евро / т сухого вещества.

Энергетические растения — свитчграс

Свитчграс (Switchgrass — Panicum virgatum L.). Это прямостоячая теплолюбивое многолетнее растение (C4), которая растет в прериях и похожа на кустовой злак. Она размножается как семенами, так и корневищем. Растение имеет красноватые прямостоячие стебли, которые растут высотой 0,5-2,7 м. Длинная корневая система может достигать 3 м в глубину.
Достаточно долгое время в Америке и Африке свитчграс использовали для консервации почв и как кормовую культуру. Его выращивают для борьбы с эрозией почвы и для сохранения природных условий, а в Европе — как декоративное растение.

Начиная с конца 80-х гг. Разновидности этой культуры начали рассматривать как травяную энергетическую культуру(биотопливо). Основными способами использования свитчграс в США и Канаде являются: производство электроэнергии путем газификации, комбинированное сжигание на угольных заводах и производство этанола для горючего. Недавно использования этой энергетической культуры расширилось производством целлюлозных и волокнистых уплотненных композиционных материалов.
Свитчграс выращивают на разных почвах, он не требователен к содержанию влаги и питательных веществ в почве и оказывает положительное влияние на окружающую среду. Преимуществами свитчграс являются: незначительная потребность использования пестицидов, борьба с эрозией почвы, содействие сохранению природных условий и потенциал к улучшению качества почвы.

Уменьшается эрозия и уровень использования пестицидов, соответственно, на 95 и 90%. Есть возможность использования земель, непригодных для выращивания сельскохозяйственных культур. Высокая устойчивость культуры к болезням и вредителям. Имеет низкую себестоимость и малые риски выращивания, требует незначительных вложений, давая высокие урожаи биомассы даже на непродуктивных землях. Урожайность свитчграс увеличивается постепенно с менее чем 2 т / га первого года использования до 12 т / га — второго и до 18 т / га — третьего года выращивания.

Свитчграс имеет составляющие, типичные для биотопливной биомассы: около 50% углерода, 43 — кислорода и 6% водорода. Растения имеют высокое содержание золы — до 4-6%, что объясняется высокой долей листовой массы. По сравнению низкое содержание калия и натрия в сочетании с повышенным содержанием кальция и магния в биомассе способствуют высокой температуре сгорания, уменьшает вероятность шлакованию при сжигании в котлах. Себестоимость свитчграс в разных странах колеблется от 24 до 62 евро / т сухого вещества.

Энергетические растения — верба

Верба (Salix L.) — род деревьев, кустов или полукустов семейства ивовых (Salicaceae). Энергетическая верба — обычно густоросла, вырастает до 5-6 м высотой  и имеет большое количество побегов. Она довольно легко размножается вегетативными побегами. Насаждения ивы остаются продуктивными в 25-30 лет, а урожай в течение этого периода можно собирать через три-четыре года. С 1 га плантации можно получать до 30-40 т сухой древесной массы в год (биотопливо).

Положительным является то, что ива устойчива к морозам и засухе, к вредителям и болезням, может расти на почвах различного типа, на холмах, в оврагах с повышенным залеганием грунтовых вод, на заболоченных землях, обеспечивающих хорошо водоснабжения, даже на непродуктивных землях, требуют рекультивации, то есть на землях, непригодных для ведения сельского хозяйства. Иву используют для производства топливных брикетов для сжигания в котлах. Одна тонна вербы влажностью 40% обеспечивает 1 Гкал тепла, тогда как такое же количество сухого сырья при влажности 15% дает 2 Гкал тепла.

Примерно после 25 лет использования вербу выкорчевывают, а земли используют для выращивания других культур или проводят новое насаждение энергетических растений.

Культура имеет большой потенциал производительности, особенно на низинных i плодородных землях с хорошим водоснабжением, которые являются приемлемыми. Большой потенциал энергетических плантаций на землях, которые не используют или используют неэффективно.

Площадь должна быть пригодной для проведения механизированных работ, в том числе для механизированной уборки в зимние месяцы. Это позволит создать новые рабочие места и обеспечить работой сотрудников в зимний период. В конце концов, энергетическая верба ( биотопливо) может существенно способствовать решению не только энергетических, но и экологических проблем, связанных с очисткой сточных вод.

Растения С3 (ива и тополь) больше нуждаются в воде во время выработки того же количества биомассы (биотопливо), чем растения С4 (мискантус, свитчграс). Годовое количество воды, транспируеться ивой и тополем, на 40-100 мм больше, чем, например, в мискантуса. В свою очередь, растения типа С4 имеют относительно большую способность образовывать урожай биомассы.

Низшая теплотворная способность абсолютно сухой вербы не отличается от других пород древесины и составляет примерно 18 МДж / кг абсолютно сухого вещества. По сравнению с большинством других пород, древесина ивы довольно легкая. Несмотря на отсутствие каких-либо вредных продуктов выделения во время сгорания, она имеет высокую теплоотдачу: 1 т растений заменяет более 500 м3 природного газа или 700 кг бурого угля. Биомассу, которую получают в процессе производства, можно использовать как первичное топливо (в процессе сгорания) или как вторичное — биометанол и древесный газ.

Собирают иву после окончания вегетации, то есть с октября-ноября по март-апрель, но в основном в зимний период. В первые два года собранную иву используют на посадочный материал, а в последующие годы — на биомассу( биотопливо). Диаметр стеблей растений вербы составляет приблизительно 10-12 мм. Первое сбора осуществляют после трех-четырех лет с момента высадки, когда растения достигают 5-6 м высотой. В следующем году после срезания ива отрастает снова. Сбор ивы проводят с помощью обычных силосоуборочных комбайнов, после чего ее измельчают и делают пеллеты для сжигания в котлах.

Энергетические растения — тополь

Тополь (Populus) — семейство ивовые (Salicaceae). Тополь — близкий родственник ивы, которая также нашла свое применение в биоэнергетике. Как и иву, ее в Западной Европе выращивают для отопления ( биотопливо). В наших климатических условиях среди всех деревьев именно тополь растет быстрее. Она растет  в похожих условиях с вербой. Для своего роста ей нужно много влаги и света. Поэтому наибольший выход биомассы ( биотопливо) будет в условиях, приближенных к тем, которые сложились в долинах рек.
Требовательность тополя к кислотности почвы подобна такого же показателя для ивы, то есть оптимальный уровень рН = 6,5-7,2.

Тополь довольно давно используют как энергокультур учитывая ее быстрый рост и устойчивость к вредителям и возможность выращивания на бедных почвах. В основном она не требует применения пестицидов и удобрений. Обнаружена возможность ее выращивания на загрязненных землях.
В последнее время, в связи со сравнительно быстрым ростом и образованием биомассы, насаждения тополя все активнее используют в качестве регенеративного источника энергии для производства биотоплива. Ее древесина достаточно легкая, широко используется в технических целях.

Четыре кубометра древесины ( биотопливо) заменяют 1000 м3 газа. Такое биотопливо обойдется государству почти в четыре раза дешевле. Тополь впитывает в себя большое количество углекислого газа, благодаря ей можно получить прекрасное экологически чистое топливо. Вредные выбросы по сравнению с дизельным топливом, сократятся на 90%. В промышленных насаждениях выход сухой массы тополя ( биотопливо) составляет до 6-12 т / га. Насаждения тополя остаются продуктивными в 15-20 и более лет, а биомассу в течение этого периода можно собирать каждые три-шесть лет.

Подобно другим энергетических растений, например мискантуса и свитчграс, тополь также может расти на малоплодородных почвах, непригодных для производства продуктов питания, сводя к минимуму конкуренцию между биоэнергетическими и продовольственными культурами.

Европейские ученые уверены в скором триумфе биотоплива, а простая тополь сыграет в этом свою далеко не последнюю роль.

 

А. Хиврич, канд. сельскохозяйственных наук
В. Курило, д-р с.-х. наук
В. Квак, В. Каськив,
ИСС НААН Украины

Биотопливо из сельскохозяйственных растений – стоит ли торопиться?

Photo: Biofuelwatch.org

Экологические организации России и других стран СНГ, занимающиеся вопросами биобезопасности, намерены этим летом призвать к пересмотру планов по развитию данной индустрии на своей территории.

Ситуация в России и странах СНГ
По мнению экологов из Альянса СНГ «За биобезопасность» в странах СНГ, встреча которого завершилась на прошлой неделе в Москве, сначала необходимо оценить плюсы и минусы выращивания растений для производства биотоплива в странах СНГ.

Экологи уверены, что продовольственная безопасность России до сих пор не обеспечена, так как большая часть сельскохозяйственного сырья, пищевой продукции и кормов по-прежнему завозиться из-за рубежа. В частности, по данным Федеральной таможенной службы РФ, только за апрель 2008 года Россия импортировала на 70% больше кукурузы (в основном фуражной и семенной), чем за тот же период прошлого года.

Члены Альянса выступают резко против внедрения для этих целей потенциально опасных трансгенных растений, так как они могут таким образом попасть в рацион человека. Также это может привести к увеличению использования химикатов на полях. В то же время экологи поддерживают применение более устойчивых видов биотоплива, например, использованного растительного масла в качестве горючего для автомобилей, отходов древесного производства для отопления домов. Они готовятся опубликовать свою позицию в связи с конференцией на высшем уровне по вопросам изменения климата и использования биоэнергетики Организации ООН по сельскому хозяйству и продовольствию (ФАО), которая пройдет 3-5 июня в Риме, Италия.

В России уже запущены программы по производству биотоплива из растений. Однако у экономистов есть сомнения в целесообразности подобных проектов. Как сообщает «Российская газета», в Зерноградском районе Ростовской области в октябре должна заработать первая установка по производству биотоплива на основе рапсового масла. В своевременности принятия такой программы усомнился генеральный директор агентства инвестиционного развития Вадим Викулов. По его словам, продовольственная инфляция не позволит сделать биотопливо таким уж дешевым, как это прогнозируется. «Германия, например, из-за высоких цен на зерновом рынке уже отказалась от обязательного использования биотоплива»,- пишет «РГ».

Подобные инициативы существуют и в других регионах России. В частности, в Ивановской области также планируется построить комплекс по переработке рапса в биотопливо мощностью до 200 тысяч тонн в год, рапс будет выращиваться также в этом регионе. По сообщению пресс-службы областной администрации, для реализации данного проекта потребуется от 100 до 250 тысяч га земли.

Не только в России, но и в Украине и Казахстане также активно развиваются программы по выращиванию и переработке растений для производства биотоплива, значительная часть которого будет поставляться за рубеж. Об этом «Беллоне.Ру» рассказал Алексей Ангурец, один из руководителей НКО «Зеленый Свит», Днепропетровск, Украина и Евгений Климов, директор Фонда интеграции экологической культуры из Алматы, Казахстан.

Биотопливо из растений в мире
Основной целью перехода на биотопливо считается борьба с глобальным потеплением и снижение зависимости стран Европейского Союза и США от импорта ископаемого топлива, в том числе российского. Однако после начала массового мирового производства горючего для автомобилей из растений возникли новые социальные, экономические и экологические проблемы. Данные последних лет свидетельствуют о резком сокращении посевов пищевых растений и уже начавшемся продовольственном кризисе. Только в этом году цены цены на сою и пшеницу выросли соответственно на 87% и 130%, тогда как мировые запасы этих культур находятся на крайне низком уровне, что привело к подорожанию продуктов также и в странах СНГ. Эксперты ООН утверждают, что цены на рис, кукурузу и пшеницу будут и дальше расти в том числе за счет их использования в качестве биотоплива.

У специалистов нет единого мнения относительно возможности снижения темпов глобального потепления за счет использования этого вида топлива. По данным Корнельского Университета (США), объем энергоресурсов, затраченных на выращивание растений, транспортировку и производство из них этанола, окажется больше, чем объем полученной из них энергии.

Под выращивание таких растений и производства топливного сырья для Евросоюза и США в более бедных странах производится массовая вырубка ценных с экологической точки зрения лесов, что также, по мнению экологов, не может не влиять на климат. Об этих и других проблемах шла речь на прошедшей в середине мая в центре ООН в Бонне, Германия, международной конференции «Биоразнообразие планеты».

Экологические, фермерские и потребительские организации призывают к приостановке использования сельскохозяйственных земель под производство биотоплива. «Мы объявляем всеобщее чрезвычайное положение из-за растущего продовольственного кризиса», – говорится в Заявлении гражданского общества о критической ситуации в продовольственной сфере «Нет повторению ошибок!». Под этим документом, который также будет распространен на предстоящей встрече ФАО в Риме, уже поставили подписи 650 представителей различных организаций из десятков стран мира.

Они также требуют создания Комиссии ООН по производству продуктов питания, потреблению и торговле, которая бы занималась вопросами справедливого доступа населения разных стран к продовольственным ресурсам и переходу от индустриальной модели развития сельского хозяйства к более мелким и устойчивым формам.

Именно модель современного аграрного производства, приведшая к сведению большого количества лесов, увеличению использования ископаемого топлива и химикатов, признана одной из виновниц увеличения выбросов углекислого газа на планете. На это было обращено особое внимание в нашумевшем докладе ЮНЕСКО «Международная оценка сельскохозяйственной науки и технологий для развития» (IAASTD), вышедшем в апреле этого года, в подготовку которого внесли вклад более 400 специалистов. Глобальная «биотопливная гонка» только усугубит эту ситуацию.

Справка
Основными видами биотоплива, производимого из растений, на данный момент являются биоэтанол и биодизель. Биоэтанол производится из сахарного тростника, свеклы или отходов свекловичного производства, мелассы, кукурузы, пшеницы, картофеля, соломы, шелухи, опилок – из любого сырья, которое содержит крахмал или сахар. Суть технологии – превращении глюкозы, полученной из крахмала или целлюлозы, в спирт и углекислый газ при помощи дрожжей. Биодизель производится из масличных культур (рапса, пальмы и др.), это моноэифры жирных кислот, которые получают из растительных масел при помощи химической реакции с добавлением метилового спирта и щелочи.

Основы биотоплива | Министерство энергетики

Управление биоэнергетических технологий (BETO) сотрудничает с промышленностью в разработке биотоплива нового поколения, изготовленного из непищевых (целлюлозных и водорослевых) ресурсов. За последнее десятилетие BETO сосредоточилась на целлюлозном этаноле, инвестируя в технологические достижения по всей цепочке поставок. Эти мероприятия успешно подтвердили критические технологии производства целлюлозного этанола. Прошлая работа Управления по целлюлозному этанолу представляет собой ценный плацдарм для достижений в области углеводородного биотоплива, также известного как «прямое» топливо, которое может служить заменителем нефти на существующих нефтеперерабатывающих заводах, резервуарах, трубопроводах, насосах, транспортных средствах и небольших двигателях.

Посмотрите видео Energy 101: Биотопливо, чтобы узнать больше.

ЭТАНОЛ

Этанол (Ch4Ch3OH) — это возобновляемое топливо, которое можно производить из различных растительных материалов, известных под общим названием «биомасса». Этанол — это спирт, который используется в качестве смешивающего агента с бензином для повышения октанового числа и сокращения выбросов монооксида углерода и других выбросов, вызывающих смог.

Наиболее распространенной смесью этанола является E10 (10% этанола, 90% бензина). Некоторые автомобили, называемые транспортными средствами с гибким топливом, предназначены для работы на E85 (смесь бензина и этанола, содержащая 51–83% этанола, в зависимости от географии и сезона), альтернативного топлива с гораздо более высоким содержанием этанола, чем обычный бензин.Примерно 97% бензина в Соединенных Штатах содержит некоторое количество этанола.

Большая часть этанола производится из растительных крахмалов и сахаров, но ученые продолжают разрабатывать технологии, которые позволят использовать целлюлозу и гемицеллюлозу, непищевой волокнистый материал, составляющий основную массу растительного вещества. Фактически, в настоящее время в Соединенных Штатах работает несколько промышленных предприятий по переработке целлюлозного этанола.

Обычный метод преобразования биомассы в этанол называется ферментацией.Во время ферментации микроорганизмы (например, бактерии и дрожжи) метаболизируют растительные сахара и производят этанол.

Узнайте больше об этаноле.

БИОДИЗЕЛЬ

Биодизель — это жидкое топливо, производимое из возобновляемых источников, таких как новые и использованные растительные масла и животные жиры, и более экологически чистая замена дизельного топлива на нефтяной основе. Биодизель нетоксичен и поддается биологическому разложению и производится путем смешивания спирта с растительным маслом, животным жиром или переработанным кулинарным жиром.

Как и дизельное топливо, полученное из нефти, биодизель используется в качестве топлива для двигателей с воспламенением от сжатия (дизельных). Биодизельное топливо может быть смешано с нефтяным дизельным топливом в любом процентном соотношении, включая B100 (чистый биодизель) и, наиболее распространенную смесь, B20 (смесь, содержащая 20% биодизеля и 80% нефтяного дизельного топлива).

Узнайте больше о биодизеле.

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ УГЛЕВОДОРОДНЫЕ ТОПЛИВА

Нефтяные топлива, такие как бензин, дизельное и реактивное топливо, содержат сложную смесь углеводородов (молекулы водорода и углерода), которые сжигаются для получения энергии.Углеводороды также можно получать из источников биомассы с помощью различных биологических и термохимических процессов. Возобновляемые углеводородные топлива на основе биомассы практически идентичны топливам на основе нефти, для замены которых они предназначены, поэтому они совместимы с современными двигателями, насосами и другой инфраструктурой.

В настоящее время одно предприятие промышленного масштаба (World Energy в Парамаунте, Калифорния) производит возобновляемое дизельное топливо из отработанных жиров, масел и смазок. Несколько компаний заинтересованы либо в модернизации существующих производственных площадок, либо в строительстве новых объектов для возобновляемого дизельного топлива и реактивных двигателей в США.Узнайте больше о возобновляемом углеводородном топливе.

ПРОЦЕССЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ БИОТОПЛИВА

Деконструкция

Производство современного биотоплива (например, целлюлозного этанола и возобновляемого углеводородного топлива) обычно включает многоступенчатый процесс. Во-первых, необходимо разрушить жесткую жесткую структуру стенки растительной клетки, которая включает биологические молекулы целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, тесно связанные вместе. Это может быть выполнено одним из двух способов: деконструкция при высокой температуре или деконструкция при низкой температуре.

Высокотемпературная деконструкция
Высокотемпературная деконструкция использует чрезвычайно высокую температуру и давление для разложения твердой биомассы на жидкие или газообразные промежуточные продукты. На этом пути используются три основных пути:

• Пиролиз
• Газификация
• Гидротермальное сжижение.

Во время пиролиза биомасса быстро нагревается до высоких температур (500–700 ° C) в бескислородной среде. Тепло расщепляет биомассу на пары пиролиза, газ и уголь.После удаления полукокса пары охлаждаются и конденсируются в жидкую «бионефть».

Процесс газификации немного похож; однако биомасса подвергается воздействию более высокого температурного диапазона (> 700 ° C) с присутствием некоторого количества кислорода для получения синтез-газа (или синтез-газа) — смеси, состоящей в основном из моноксида углерода и водорода.

При работе с влажным сырьем, например с водорослями, предпочтительным термическим процессом является гидротермальное ожижение. В этом процессе используется вода при умеренных температурах (200–350 ° C) и повышенном давлении для преобразования биомассы в жидкую бионефть.

Низкотемпературная деконструкция
Низкотемпературная деконструкция обычно использует биологические катализаторы, называемые ферментами или химическими веществами, для разложения сырья на промежуточные продукты. Во-первых, биомасса проходит этап предварительной обработки, который открывает физическую структуру клеточных стенок растений и водорослей, делая более доступными сахарные полимеры, такие как целлюлоза и гемицеллюлоза. Затем эти полимеры ферментативно или химически расщепляются на простые сахарные строительные блоки в ходе процесса, известного как гидролиз.

Модернизация

После деконструкции промежуточные продукты, такие как сырые биомасла, синтез-газ, сахара и другие химические строительные блоки, должны быть модернизированы для производства готового продукта. Этот этап может включать биологическую или химическую обработку.

Микроорганизмы, такие как бактерии, дрожжи и цианобактерии, могут сбраживать сахар или газообразные промежуточные продукты в топливные смеси и химические вещества. В качестве альтернативы, сахара и другие промежуточные потоки, такие как бионефть и синтез-газ, можно обрабатывать с использованием катализатора для удаления любых нежелательных или реакционноспособных соединений с целью улучшения характеристик хранения и обращения с ними.

Готовые продукты после модернизации могут быть топливом или биопродуктами, готовыми к продаже на коммерческий рынок, или стабилизированными промежуточными продуктами, подходящими для отделки на нефтеперерабатывающем заводе или химическом заводе.

Прочтите «Конверсия биомассы: от сырья к конечным продуктам», чтобы узнать больше.

Объяснение биотоплива — Управление энергетической информации США (EIA)

Биотопливо — это транспортное топливо, такое как этанол и дизельное топливо на основе биомассы, которое производится из материалов биомассы.Эти виды топлива обычно смешиваются с нефтяными топливами (бензин и дистиллят / дизельное топливо и топочный мазут), но их также можно использовать самостоятельно. Использование этанола или биодизеля снижает потребление бензина и дизельного топлива, производимого из сырой нефти, что может уменьшить количество сырой нефти, импортируемой из других стран. Этанол и биодизель также являются более экологически чистыми видами топлива, чем чистый бензин и дизельное топливо.

Что такое этанол?

Этанол — это горючий спирт, изготовленный из сахаров, содержащихся в зернах, таких как кукуруза, сорго и ячмень.

• Сахарный тростник
• Свекла сахарная
• Шкурка картофельная
• Рис
• Садовая вырезка
• Кора дерева
• Просо

Большая часть топливного этанола, используемого в США, производится из кукурузы. Ученые работают над способами получения этанола из всех частей растений и деревьев, а не только из зерна, и экспериментируют с быстрорастущими древесными культурами, такими как тополь, ива и просо, чтобы увидеть, можно ли их использовать для производства этанола.

Исследователи-генетики Министерства сельского хозяйства США (USDA) изучают просо как источник этанола.

Фото: Бретт Хэмптон, Служба сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США (общественное достояние)

Этанол смешан с бензином

Почти весь бензин, продаваемый в настоящее время в Соединенных Штатах, содержит около 10% этанола по объему. Любой бензиновый двигатель в Соединенных Штатах может использовать E10 (бензин с 10% этанола), но только определенные типы транспортных средств могут использовать смеси с топливом, содержащим более 10% этанола.Транспортное средство с гибким топливом может использовать бензин с содержанием этанола более 10%. В октябре 2010 года Агентство по охране окружающей среды США постановило, что легковые и легкие грузовики 2007 модельного года и новее могут использовать E15 (бензин с 15% этанолом). E85, топливо, содержащее 51–83% этанола, в зависимости от местоположения и сезона, в основном продается на Среднем Западе и может использоваться только в транспортных средствах с гибким топливом.

Что такое дизельное топливо на основе биомассы?

Дизельное топливо на основе биомассы включает биодизель и возобновляемое дизельное топливо.Оба они называются дизельным топливом на основе биомассы, потому что они в основном производятся для использования в дизельных двигателях, но их также можно использовать в качестве топлива для отопления. Оба вида топлива производятся из биомассы или материалов, полученных из биомассы, но они различаются по способу производства и физическим свойствам. Дизельное топливо на основе биомассы можно использовать в дизельных двигателях без модификации двигателей.

А биодизель и стандартный бензонасос

Источник: стоковая фотография (защищена авторским правом)

Последнее обновление: 24 августа 2020 г.

Керосин

| Определение, использование и факты

Керосин , также обозначаемый как керосин , также называемый парафином или парафиновым маслом , воспламеняющейся углеводородной жидкостью, обычно используемой в качестве топлива.Керосин обычно бледно-желтого или бесцветного цвета и имеет приятный характерный запах. Его получают из нефти и используют для сжигания в керосиновых лампах, бытовых обогревателях или печах, в качестве топлива или топливного компонента для реактивных двигателей, а также в качестве растворителя для смазок и инсектицидов.

Обнаруженный канадским врачом Абрахамом Геснером в конце 1840-х годов, керосин первоначально производился из каменноугольной смолы и сланцевого масла. Однако после бурения первой нефтяной скважины в Пенсильвании Э.Л. Дрейка в 1859 г. нефть быстро стала основным источником керосина. Из-за его использования в лампах керосин был основным продуктом нефтепереработки в течение нескольких десятилетий, пока появление электрических ламп не уменьшило их ценность для освещения. Производство далее снизилось, поскольку рост автомобилестроения сделал бензин важным нефтепродуктом. Тем не менее, во многих частях мира керосин по-прежнему является обычным топливом для отопления и приготовления пищи, а также в качестве топлива для ламп. Стандартное коммерческое реактивное топливо — это, по сути, высококачественный прямогонный керосин, а многие военные реактивные топлива представляют собой смеси на основе керосина.

Подробнее по этой теме

переработка нефти: Керосин

Хотя его использование в качестве источника света значительно сократилось, керосин по-прежнему широко используется во всем мире для приготовления пищи и обогрева помещений …

По химическому составу керосин представляет собой смесь углеводородов. Химический состав зависит от его источника, но обычно он состоит из примерно 10 различных углеводородов, каждый из которых содержит от 10 до 16 атомов углерода на молекулу.Основными составляющими являются насыщенные парафины с прямой и разветвленной цепью, а также циклопарафины в форме кольца (также известные как нафтены). Керосин менее летуч, чем бензин. Его точка воспламенения (температура, при которой он будет генерировать воспламеняющийся пар у своей поверхности) составляет 38 ° C (100 ° F) или выше, тогда как температура бензина составляет всего -40 ° C (-40 ° F). Это свойство делает керосин относительно безопасным топливом для хранения и обращения.

Керосин с температурой кипения от 150 до 300 ° C (300–575 ° F) считается одним из так называемых средних дистиллятов сырой нефти, наряду с дизельным топливом.Его можно производить в виде «прямогонного керосина», физически отделенного от других фракций сырой нефти перегонкой, или его можно производить как «крекинг-керосин» путем химического разложения или крекинга более тяжелых частей нефти при повышенных температурах.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Целлюлозный этанол | биотопливо | Britannica

Целлюлозный этанол , биотопливо второго поколения, которое производится путем преобразования растительности, непригодной для потребления человеком, в этиловый спирт (этанол).В то время как в биотопливе первого поколения используется съедобное сырье, такое как кукуруза (кукуруза), целлюлозный этанол можно производить, используя такое сырье, как древесина, трава или непищевые части растений. Все виды биотоплива являются возобновляемыми, но целлюлозный этанол оказывает меньшее влияние на пищевую цепочку, чем биотопливо первого поколения, поскольку его можно производить из сельскохозяйственных отходов или из энергетических культур, выращиваемых на землях, которые лишь незначительно используются для производства продуктов питания. Однако степень превращения сырья в конечный продукт у целлюлозного этанола ниже, чем у биотоплива первого поколения, и без улучшений в технологии производства целлюлозный этанол может стать топливной добавкой, а не заменой нефти.

Использование обычного сырья в качестве основного компонента биотоплива первого поколения вызвало дискуссию «еда против топлива», в которой ставилась под сомнение ценность биотоплива первого поколения как экологически чистой альтернативы нефти. Утверждалось, что при отвлечении пахотных земель и кормов от пищевой цепи человека производство биотоплива окажет прямое влияние на цены на продукты питания для потребителей. Критики биотоплива утверждали, что по мере роста спроса на сырье фермеры будут продавать свой урожай более высокооплачиваемым производителям биотоплива, а не традиционным покупателям, что приведет к нехватке продовольствия и быстрому росту цен.Хотя после внедрения биотоплива первого поколения действительно произошел глобальный рост цен на продовольствие и нехватка продовольствия, особенно в 2007 и 2008 годах, сторонники утверждают, что это может быть связано с ростом цен на нефть, а не с производством биотоплива. В ходе этих дебатов целлюлозный этанол появился в 2006 году в качестве альтернативы этанолу первого поколения, поскольку он может использовать отходы и непищевые растения, выращенные на земле более низкого качества. Многие энергетические культуры также требовали меньше удобрений, чем пищевые культуры, используемые для производства этанола первого поколения.

Изучите процесс производства биотоплива E10 из таких культур, как пшеница, ячмень, сахарная свекла и кукуруза.

Узнайте о E10, бензиновой смеси, содержащей 10 процентов этанола.

Contunico © ZDF Enterprises GmbH, Майнц Просмотреть все видео для этой статьи

Поскольку очень немногие страны, такие как Бразилия, имеют географию и климат, позволяющие производить достаточно целлюлозного этанола для полного перехода от нефти к биотопливу, многие страны предпочитают смешивание нефтяной и целлюлозный этанол.Большинство смесей содержат 5–10 процентов целлюлозного этанола, поэтому их можно использовать в современных автомобилях без модификации двигателя.

Изучите рост производства биотоплива на основе этанола в США и его обратную сторону

Обзор производства биотоплива на основе этанола в Соединенных Штатах.

Contunico © ZDF Enterprises GmbH, Майнц См. Все видео к этой статье

Целлюлозный этанол производится из лигноцеллюлозной биомассы, которая в основном состоит из целлюлозы и лигнина, содержащихся в сухом растительном веществе.Лигноцеллюлозную биомассу в целом можно разделить на чистую биомассу естественных растений, биомассу отходов промышленного и сельскохозяйственного производства и энергетические культуры, которые выращиваются специально для производства целлюлозного этанола. Большая часть целлюлозного этанола производится из отходов биомассы, особенно из жмыха сахарного тростника, и из энергетических культур, таких как просо ( Panicum virgatum ). Чтобы превратиться в биотопливо, лигноцеллюлозная биомасса должна быть предварительно обработана, а затем гидролизована кислотой или ферментами для разложения целлюлозы на простые сахара.Затем эти сахара подвергаются микробной ферментации с образованием этанола, который перегоняется до чистоты около 95 процентов. Целлюлозный этанол также можно производить путем газификации, в результате которой образуется газовая смесь водорода, монооксида углерода и диоксида углерода, которая затем ферментируется или химически катализируется до этанола.

Получите подписку Britannica Premium и получите доступ к эксклюзивному контенту. Подпишитесь сейчас

Одна из многих проблем, связанных с производством целлюлозного этанола, заключается в том, что степень конверсии ниже, чем у биотоплива первого поколения, а это означает, что для производства того же объема этанола требуется больше сырья.Ферменты, используемые для гидролиза, также дороги и являются одним из основных факторов, ограничивающих рентабельность технологии. Чтобы повысить эффективность этого этапа процесса, проводятся исследования альтернативных методов преобразования, модифицированных ферментов и новых энергетических культур.

Целлюлозный этанол продолжает оставаться политически популярным во многих частях мира, включая США, Бразилию и Европейский Союз, и рекламируется как возможное решение проблемы энергетической независимости, а также как метод повторного использования некоторых отходов.В некоторых странах, в том числе в США, действует законодательство, требующее от производителей топлива добавлять определенный процент биотоплива в свою продукцию. Такое законодательство является одним из основных рыночных драйверов роста рынка, делая технологию уязвимой перед экономическим спадом или законодательными колебаниями, которые могут серьезно повлиять на ее будущее. Биотопливо также является сильно субсидируемым источником энергии и, вероятно, не сможет конкурировать на текущем рынке без государственной субсидии. Хотя возможно, что затраты на производство целлюлозного биотоплива однажды будут ниже, чем затраты на производство нефти, такое изменение потребует резкого роста цен на ископаемое топливо, а также более низких производственных затрат.В его нынешнем виде смешанные виды топлива, скорее всего, будут реальным долгосрочным решением и наиболее целесообразным применением целлюлозного этанола.

Как производится биотопливо?

Биотопливо — это топливо, производимое на заводах и разработанное для замены традиционных ископаемых видов топлива, таких как авиационное топливо на нефтяной основе, бензин, дизельное топливо и другие. Конечно, биотопливо существует уже давно, и оно включает этанол, который представляет собой спирт, сброженный из крахмалов растений, и биодизель, который очищается из растительных масел, животных жиров и отработанного растительного масла.

Но времена меняются, изменилось и биотопливо. Gevo продолжает расширять границы разработки новых видов биотоплива, которые соответствуют или превосходят стандарты топлива на нефтяной основе.

Экологичное авиационное топливо, отвечающее тем же стандартам, что и реактивное топливо на основе нефти, означает, что самолет в аэропорту с наполовину полным баком нефтяного топлива может заправляться экологически чистым, низкоуглеродным авиационным биотопливом. И наоборот, работает и обратный сценарий — виды топлива взаимозаменяемы.

Возобновляемый бензин, созданный из смеси изооктана и изобутанола на основе кукурузы, можно добавить в бак автомобиля, который затем можно заправить бензином на основе нефти на следующей заправочной станции.

Биодизельное топливо, разработанное Gevo, будет соответствовать тем же стандартам, что и дизельное топливо на нефтяной основе, но обеспечивает пониженные выбросы углекислого газа, отсутствие твердых частиц и более низкий уровень серы, что соответствует требованиям к судовому дизельному топливу в портах по всему миру.

Gevo разрабатывает биотопливо с конечной целью заменить весь галлон соответствующего ископаемого топлива.В настоящее время биотопливо можно смешивать с существующими запасами топлива на основе нефти, но компания сосредоточена на создании топлива, которое когда-нибудь может стать самостоятельным.

Лучше всего то, что биотопливо использует углерод, который уже находится в атмосфере, а не высвобождает секвестрированный углерод, содержащийся в ископаемом топливе, как это происходит при очистке и сжигании ископаемого топлива. Это потому, что биотопливо производится из растений, которые поглощают углекислый газ из атмосферы. Благодаря синтетической биологии и промышленной химии Gevo эти углеводороды превращаются в углеводороды, которые производят энергию в биотопливо.

Биотопливо, от этанола до биодизеля, факты и информация

Биотопливо существует дольше, чем автомобили, но дешевые бензин и дизельное топливо долгое время держали их на обочине. Скачки цен на нефть, а теперь и глобальные усилия по предотвращению наихудших последствий изменения климата придали новую актуальность поиску экологически чистых возобновляемых видов топлива.

На наши автомобильные путешествия, авиаперелеты и морские перевозки приходится почти четверть мировых выбросов парниковых газов, и сегодня транспорт по-прежнему сильно зависит от ископаемого топлива.Идея биотоплива заключается в замене традиционных видов топлива на те, которые производятся из растительного материала или другого возобновляемого сырья.

Но концепция использования сельскохозяйственных угодий для производства топлива вместо продуктов питания сопряжена со своими проблемами, и решения, основанные на отходах или другом сырье, еще не могут конкурировать по цене и масштабу с традиционными видами топлива. Мировое производство биотоплива должно утроиться к 2030 году, чтобы достичь целей Международного энергетического агентства по обеспечению устойчивого роста.

Скрытые затраты на превращение пищи в топливо

Типы и использование биотоплива

Существуют различные способы производства биотоплива, но обычно они используют химические реакции, ферментацию и нагревание для расщепления крахмала, сахара и других молекул в растениях. Полученные продукты затем очищаются для производства топлива, которое можно использовать в автомобилях или других транспортных средствах.

Большая часть бензина в Соединенных Штатах содержит одно из наиболее распространенных видов биотоплива: этанол. Этанол, полученный путем ферментации сахаров из таких растений, как кукуруза или сахарный тростник, содержит кислород, который помогает двигателю автомобиля более эффективно сжигать топливо, уменьшая загрязнение воздуха.В США, где большая часть этанола производится из кукурузы, топливо обычно состоит на 90 процентов из бензина и на 10 процентов из этанола. В Бразилии — втором по величине производителе этанола после США — топливо содержит до 27 процентов этанола, при этом основным сырьем является сахарный тростник.

Альтернативы дизельному топливу включают биодизель и возобновляемое дизельное топливо. Биодизельное топливо, полученное из жиров, таких как растительное масло, животный жир и переработанный кулинарный жир, можно смешивать с дизельным топливом на основе нефти. Некоторые автобусы, грузовики и военная техника в U.S. работают на топливных смесях, содержащих до 20 процентов биодизеля, но чистый биодизель может быть скомпрометирован холодной погодой и может вызвать проблемы в старых транспортных средствах. Возобновляемое дизельное топливо, химически отличный продукт, который может быть получен из жиров или растительных отходов, считается «добавляемым» топливом, которое не нужно смешивать с обычным дизельным топливом.

Созданы другие виды растительного топлива для авиации и судоходства. Более 150000 рейсов использовали биотопливо, но количество авиационного биотоплива, произведенного в 2018 году, составило менее 0.1 процент от общего потребления. В судоходстве внедрение биотоплива также находится на уровне, намного ниже целевых показателей 2030 года, установленных Международным энергетическим агентством.

Возобновляемый природный газ или биометан — еще одно топливо, которое потенциально может использоваться не только для транспорта, но также для производства тепла и электроэнергии. Газ может собираться со свалок, животноводческих хозяйств, сточных вод или других источников. Затем этот уловленный биогаз необходимо дополнительно очистить для удаления воды, диоксида углерода и других элементов, чтобы он соответствовал стандарту, необходимому для топлива транспортных средств, работающих на природном газе.

Из чего делается биотопливо?

Для производства биотоплива можно использовать самые разные материалы или сырье. Хотя кукуруза и сахарный тростник являются общепризнанным сырьем для этанола, процесс выращивания сельскохозяйственных культур, производства удобрений и пестицидов и переработки растений в топливо потребляет много энергии — столько энергии, что ведутся споры о том, действительно ли этанол из кукурузы дает достаточно экологической выгоды стоит вложенных средств.

Итак, ученые и стартапы изучают другие материалы, которые могут служить топливом, без сопутствующих проблем с поставками продуктов питания и воздействием на окружающую среду.В целлюлозном этаноле, например, используется кукурузная солома, древесные отходы или другой растительный материал, который в противном случае не использовался бы. Другим потенциальным сырьем для биотоплива являются травы, водоросли, отходы животноводства, кулинарный жир и отстой сточных вод, но исследования продолжаются, чтобы найти наиболее эффективные и рентабельные способы их преобразования в пригодное для использования топливо.

Разбейте его! Как ученые получают топливо из растений · Границы для молодых умов

Аннотация

Когда вы утром едете в школу на автобусе, ваша поездка, вероятно, осуществляется на дизельном топливе или бензине, которые производятся из нефти.Нефть — это ископаемое топливо , что означает, что она производится из разложившихся, окаменелых организмов, таких как древние растения, планктон и водоросли, которые были погребены под поверхностью Земли на протяжении миллионов лет.

Ископаемые виды топлива, такие как нефть, природный газ и уголь, добываются из недр земли и используются для привода автомобилей, обогрева зданий и выработки электроэнергии. Нефть также можно использовать для производства химикатов на нефтяной основе (нефтехимии), которые встречаются во многих повседневных вещах, например, в подошвах вашей обуви или пластиковом покрытии сиденья школьного автобуса.

Ископаемые виды топлива хороши тем, что они очень энергоемкие, т. Е. Содержат много энергии на единицу объема. Это означает, что ископаемые виды топлива очень хороши для питания автомобилей и выработки тепла. Не очень хорошо в ископаемом топливе то, что на Земле их ограниченное количество. Поскольку ископаемое топливо формируется в течение миллионов лет, мы в конечном итоге израсходуем его, прежде чем будет произведено больше. Кроме того, при сжигании ископаемого топлива или нефтехимии выделяется углекислый газ (CO ₂ ).CO ₂ известен как парниковый газ, потому что он может задерживать солнечные лучи внутри земной атмосферы, действуя так же, как стеклянная крыша теплицы. Сжигание ископаемого топлива увеличивает концентрацию CO ₂ в атмосфере, и это может привести к климатическим нарушениям, включая глобальное потепление (1).

Из-за этих проблем ученые и инженеры усердно работают над поиском новых видов топлива и химикатов, которые не добавляют CO ₂ в атмосферу, и которые могут быть возобновлены, когда запасы кончатся.Топливо и химикаты, отвечающие этим требованиям, обозначаются как «, устойчивое ». С экологической точки зрения материал является устойчивым, если его можно использовать в течение длительного времени, без истощения и без общего негативного воздействия на окружающую среду.

Биотопливо — это один из видов топлива, многообещающий для нашего энергетического будущего, поскольку он является возобновляемым и экологически чистым. Другими словами, биотопливо устойчиво.

Биотопливо обычно производится из растительных материалов, которые не могут быть употреблены в пищу людьми, таких как стебли кукурузы, травы и древесная щепа. Биомасса — это еще одно название растительного сырья, которое используется для производства биотоплива. Когда биомасса собирается и обрабатывается, ученые могут расщеплять и преобразовывать растительные клетки в возобновляемое топливо или химические вещества. Итак, вместо того, чтобы ждать миллион лет, пока природа превратит растения в ископаемое топливо, ученые пытаются ускорить этот процесс, используя хитроумную химию для производства биотоплива из растений, которые сегодня живы.

А теперь подожди секунду. Если при сжигании ископаемого топлива, которое состоит из древнего органического вещества, в атмосферу выбрасывается CO ₂ … не создает ли сжигание биотоплива ту же проблему? К счастью, ответ отрицательный.При сжигании биотоплива действительно выделяется CO ₂ , но помните, что растения, используемые в биотопливе, не древние — они жили на Земле в то же время, что и мы с вами. И хотя мы, люди, дышим кислородом, чтобы остаться в живых, растения вместо этого дышат CO ₂ . Это означает, что, поскольку растения, используемые для производства биотоплива, потребляют CO ₂ в процессе роста, общего увеличения количества CO ₂ в атмосфере при их сжигании не происходит. Они только заменяют то, что взяли.Кроме того, в отличие от нефти, мы всегда можем вырастить новые растения для производства биотоплива, когда они нам понадобятся.

Итак, если биотопливо является устойчивым и экологически чистым, то оно должно быть идеальным решением наших энергетических проблем, верно? К сожалению, процессы, которые ученые используют для превращения биомассы в биотопливо, могут быть очень дорогими. Дорогостоящие химические реакции означают дорогостоящее биотопливо и биопродукты, и большинство потребителей предпочтут обычный бензин или пластик более дорогим «зеленым» продуктам.Кроме того, для некоторых реакций с биотопливом требуются агрессивные химические вещества, которые могут создавать собственные экологические проблемы, возвращая нас к тому месту, где мы начали с точки зрения устойчивости (2).

Чтобы увидеть, как растения превращаются в полезное топливо и химические вещества, мы должны сначала понять, из чего они сделаны. Стенки растительных клеток отвечают почти за весь вес растения и состоят из трех сложных молекул, называемых целлюлозой, гемицеллюлозой и лигнином (рис. 1).

• Рис. 1. На этом рисунке показана основная структура тканей растения, начиная с уровня листа (вверху: «несъедобные растения») и увеличивая масштаб до клеточного уровня (слева: «клетка растения»).
• Как видите, на клеточном уровне длинные молекулы целлюлозы (показаны синим) плотно упакованы в пучки, окруженные гемицеллюлозой (оранжевый) и лигнин (зеленый). Эта плотно упакованная структура делает ткани растений прочными и долговечными.

Первые две молекулы, целлюлоза и гемицеллюлоза, разрываются на простые сахарные строительные блоки, связанные вместе в компактную структуру, поддерживаемую третьей молекулой — лигнином (рис. 1). Все три сложные молекулы в растениях должны быть разделены на части, чтобы получить доступ к строительным блокам сахара внутри, которые затем можно превратить в биотопливо.

Один из способов добиться такого разложения биомассы — использовать много агрессивных химикатов для разрушения тканей растения. Однако эти химические вещества могут быть дорогими — даже токсичными (2). В идеале мы хотели бы упростить разрушение растений, чтобы нам не нужно было так сильно полагаться на эти химические вещества.

Одно из возможных решений — использовать растворитель — жидкость с химическими свойствами, которые позволяют растворять другие материалы… например, растения. Большинство из нас используют растворители каждый день, даже если мы не подозреваем об этом.Например, вы используете воду в качестве растворителя каждый раз, когда моете руки или готовите горячий шоколад быстрого приготовления.

Иногда с работой можно справиться только с помощью растворителя определенного типа. Например, вода может растворять какао-порошок для приготовления горячего шоколада, но не удаляет лак с ногтей — для этого вам понадобятся химические вещества, называемые ацетон или этилацетат.

К сожалению, до недавнего времени исследователи энергетики не могли найти растворитель, который был бы (а) дешев, (б) устойчив и (в) хорош для разрушения растений.Но теперь мы обнаружили очень интересный новый растворитель, названный γ- валеролактон (для краткости GVL ), который может сделать производство биотоплива намного дешевле и эффективнее (3). GVL — такой интересный растворитель, потому что он не только дешев — он возобновляемый, потому что он сделан из самой биомассы.

Мы обнаружили, что можем использовать GVL для извлечения более 70% исходных сахаров, захваченных в плотной структуре биомассы, для производства простых сахаров, которые намного легче превратить в топливо.Этот процесс проиллюстрирован на Рисунке 2, который показывает химическую реакцию, протекающую внутри реактора биотоплива. Биотопливные реакторы — это металлические сосуды, в которых проходят реакции обработки биотоплива. Они специально разработаны, чтобы выдерживать воздействие тепла, давления и химикатов.

• Рисунок 2 — Иллюстрация производства сахара на заводах с использованием GVL в качестве растворителя.

Два основных свойства GVL делают его отличным растворителем для экстракции сахара:

(1) GVL дает кислотам большой импульс.

Для начала любой химической реакции участвующие в ней ингредиенты (реагенты) должны сначала собрать достаточно энергии. Наименьшее количество энергии, необходимое для запуска реакции, называется «энергией активации» (рис. 3). В обычных реакциях производства биотоплива много кислот смешивают с водой, чтобы помочь расщепить биомассу. Это может занять некоторое время, особенно для очень жестких или древесных растений, но добавление GVL в реакцию дает кислотам большой прилив энергии. Это ускорение помогает системе быстрее собирать свою энергию активации, поэтому реакция может протекать быстрее (4, 5) (Рисунок 3).

• Рисунок 3 — Этот график иллюстрирует развитие химической реакции.
• «Свободная энергия» — это причудливый способ обозначить энергию, имеющую отношение к химической реакции. «Ход реакции» представляет собой состояние, через которое реагенты должны пройти, чтобы превратиться в продукты.

Чтобы проиллюстрировать это явление, представьте, что две девушки, Джемма и Валери, собираются мчаться друг с другом на вершину крутого холма. Обычно оба бегуна должны стоять за линией старта, чтобы убедиться в честности гонки.Но в этой гонке Джемма действительно имеет большую фору: когда срабатывает зуммер, она начинает бежать на полпути вверх по крутому склону, а Валери должна начинать с самого низа. Как вы думаете, кто победит? Как вы уже догадались — Джемма поднимается на вершину холма раньше Валери. Подобно тому, как форсированный старт приближает Джемму к вершине холма по аналогии с гонкой, GVL приближает кислоту к точке реакции с биомассой, позволяя реакции протекать намного быстрее.

(2) GVL избавляет от лигнина.

Для растений лигнин действительно важен: он придает им форму и структуру и помогает им расти здоровыми и сильными. Но для ученых лигнин — всего лишь неприятность. Это прочная и стойкая молекула, которую очень трудно разрушить, и она мешает получению простых сахаров из молекул целлюлозы и гемицеллюлозы. Однажды ученые надеются, что сумеют расщепить сам лигнин и получить полезные вещества, но пока они просто не хотят, чтобы он мешал. GVL обладает необычной способностью растворять лигнин и препятствовать тому, чтобы он блокировал главный приз: богатые энергией строительные блоки сахара.

Пожалуй, самое лучшее в этом GVL то, что он может быть переработан. В конце реакции биотоплива жидкий CO ₂ может быть добавлен в реактор для разделения каждого реагента на отдельный слой (рис. 2). Представьте себе бутылку с необычной заправкой для салата: масло и уксус вместо того, чтобы смешиваться друг с другом, остаются полностью разделенными, пока бутылку не встряхивают. Точно так же, когда CO ₂ добавляется в реактор для биотоплива, ГВЛ и раствор сахара становятся точно такими же, как эта заправка для салата.Все сахара переходят в один слой и становятся концентрированными (см. Рис. 2), в то время как GVL образует свой собственный отдельный слой. Затем GVL можно легко удалить и использовать снова, в то время как раствор сахара, который получают ученые, примерно в пять раз более концентрированный, чем он был бы без GVL. Эта повышенная концентрация очень важна, потому что это означает, что вам нужно тратить меньше энергии на очистку конечного продукта, что делает весь процесс более эффективным и менее расточительным.

После удаления GVL остается концентрированный и очень полезный сахарный раствор.У ученых есть два варианта использования этого энергоемкого решения:

• Они могут модернизировать сахара посредством дальнейших химических реакций до других полезных молекул, которые сегодня используются для производства многих продуктов, полученных из нефтехимии. Это означает, что GVL можно использовать для производства экологически чистых альтернатив пластмассам, мылу, краскам и многим другим распространенным материалам.
• Они могут «кормить» сахаром микроорганизмы, такие как дрожжи или бактерии, которые затем метаболизируют его и производят топливо.Одним из примеров является биотопливный этанол: он может приводить в действие легковые и грузовые автомобили и другие машины почти так же эффективно, как бензин. У некоторых микроорганизмов особенно хороший аппетит к сахару, произведенному с использованием GVL, потому что они не содержат агрессивных химикатов, которые часто используются в других реакциях биотоплива. Тот факт, что микроорганизмы могут не только выживать, но и процветать на сахарах, обработанных GVL, означает, что GVL подходит для использования в других биологических реакциях, а не только в химических. В этой работе микроорганизмы использовались для получения этанола в такой высокой концентрации, что очистка этанола до пригодного для использования топлива обходилась недорого.

По всем этим причинам использование GVL дает ученым надежду на создание биотоплива и химикатов, которые могут конкурировать с нефтепродуктами на рынке. На протяжении веков люди изобретали новые технологии и развивали промышленность с поразительной скоростью — иногда с серьезной ценой для окружающей среды. Процесс производства биотоплива, отвечающий всем требованиям доступности, возобновляемости и устойчивости, может принести пользу как людям, так и Земле.С открытием роли GVL в переработке биотоплива мы считаем, что на один шаг ближе к устойчивому будущему.

Глоссарий

Биотопливо : ↑ Определенные типы растительных веществ (см. Биомассу) можно перерабатывать в жидкое или газообразное топливо, называемое биотопливом. Некоторые виды биотоплива могут быть возобновляемыми альтернативами ископаемым видам топлива, например бензину.

Биомасса : ↑ Биомасса — это общий термин, относящийся к любому органическому (углеродсодержащему) материалу, который происходит из живого вещества, например растений.Биомасса растений состоит из трех основных молекул: целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Типы биомассы, используемые для производства биотоплива, включают растения и растительные отходы, такие как травы, стебли кукурузы и древесная щепа.

Ископаемое топливо : ↑ Ископаемое топливо образуется под землей в течение миллионов лет и состоит из органического вещества тканей древних растений и животных. Ископаемое топливо включает уголь, природный газ и нефть. Нефть может быть переработана в другие виды топлива, такие как дизельное топливо и бензин.

Глобальное потепление : ↑ Когда слишком много углекислого газа (CO ₂ ) попадает в атмосферу, он может улавливать солнечные лучи внутри атмосферы. Это явление называется парниковым эффектом, и оно может привести к общему повышению глобальной температуры, называемому глобальным потеплением.

GVL : ↑ GVL — это сокращение от γ- валеролактона . Это химическое вещество, которое можно легко получить из растений. В нашем эксперименте мы использовали ГВЛ в качестве растворителя для растворения растений.В прошлом GVL использовался в парфюмерной промышленности, потому что он имеет сладкий травяной запах. GVL также использовался в фармацевтических продуктах.

Реакция : ↑ Химическая реакция происходит, когда атомы в веществе перегруппировываются, что приводит к химическому изменению вещества. Химическая реакция может начаться только после того, как она накопит достаточно энергии. Это минимальное количество энергии, необходимое для начала реакции, называется энергией активации.

Растворитель : ↑ В химии растворитель — это жидкость или газ, способный растворять другое вещество, называемое растворенным веществом.Когда вы добавляете растворитель в растворенное вещество, вы получаете раствор.

Устойчивый : ↑ С экологической точки зрения материал является экологически безопасным, если его можно использовать в течение длительного времени, без истощения и без общего негативного воздействия на окружающую среду. Например, возобновляемая энергия является устойчивой, потому что мы можем производить ее больше, не нанося значительного ущерба окружающей среде. В более широком масштабе экологическая система является устойчивой, если она может выжить в течение долгого времени при здоровом уровне биоразнообразия, продуктивности и ресурсов.

---

Первоисточник Статья

↑ Лутербахер, Дж. С., Рэнд, Дж. М., Алонсо, Д. М., Хан, Дж., Янгквист, Дж. Т., Маравелиас, К. Т. и др. 2014. Производство неферментативного сахара из биомассы с использованием γ-валеролактона, полученного из биомассы. Наука 343: 277–280. DOI: 10.1126 / science.1246748

---

Список литературы

[1] ↑ Tester, J. W. 2005. Устойчивая энергия. Кембридж, Массачусетс: MIT Press.

[2] ↑ Luterbacher, J.С., Мартин Алонсо, Д., Думесик, Дж. А. 2014. Целевое химическое обновление лигноцеллюлозной биомассы до платформенных молекул. Green Chem. 16: 4816–38. DOI: 10.1039 / C4GC01160K

[3] ↑ Лутербахер, Дж. С., Рэнд, Дж. М., Алонсо, Д. М., Хан, Дж., Янгквист, Дж. Т., Маравелиас, К. Т. и др. 2014. Производство неферментативного сахара из биомассы с использованием γ-валеролактона, полученного из биомассы. Наука 343: 277–80. DOI: 10.1126 / science.1246748

[4] ↑ Меллмер, М. А., Сенер, К., Галло, Дж. М. Р., Лутербахер, Дж. С., Алонсо, Д. М., Думесик, Дж. А. 2014. Эффекты растворителя в реакциях конверсии биомассы, катализируемых кислотой. Angew Chem. Int. Эд. 53: 11872–5. DOI: 10.1002 / anie.201408359

[5] ↑ Меллмер, М. А., Алонсо, Д. М., Лутербахер, Дж. С., Галло, Дж. М. Р., Дюмесик, Дж. А. 2014. Влияние γ-валеролактона на гидролиз лигноцеллюлозной биомассы до моносахаридов. Green Chem. 16: 4659–62. DOI: 10.1039 / C4GC01768D

.