Биотопливо: виды, преимущества и недостатки

Биотопливом называют топливо, которое получают из биомассы. На нем работают двигатели внутреннего сгорания мобильных и стационарных устройств. Биологическое топливо заменяет обычное (дизтопливо, бензин, природный газ) и используется в чистом виде или в качестве добавки.

Сырье

Приставка “био” указывает на растительное (биологическое) происхождение, отсутствие отрицательного воздействия на климат и экологические преимущества. Сырьем для производства биотоплива служат:

• отходы животноводства,
• масличные растения,
• зерновые культуры,
• сахарная свекла или тростник,
• древесина и ее отходы,
• энергетические растения.

Выделяют 3 поколения самого экологически чистого топлива, хотя четкой границы между ними не существует. Для производства энергоносителей первого поколения берут растения с высоким содержанием жиров, сахаров, крахмала. Топливо второго поколения получают путем переработки древесины, травы, не пригодных для употребления в пищу остатков сельскохозяйственных культур. Энергоносители из водорослей относятся к третьему поколению. Биологическая продуктивность у водных организмов значительно выше, чем у наземных растений.

Виды топлива по физическому состоянию

По агрегатному состоянию энергоносители бывают твердыми, жидкими, газообразными. К основным видам сырья для получения твердого биотоплива относятся дрова, опилки, щепа, навоз. Реже перерабатываются скорлупа грецкого ореха, оливковые косточки, подсолнечная шелуха, кукурузная мезга. Перед использованием в печах и котлах сырье сушат, измельчают, просеивают, прессуют в гранулы (пеллеты) или брикеты, гомогенизируют. Конечные потребители продукта —теплоэлектростанции и частные дома.

Жидкое

Среди перспективных видов жидкого биотоплива растительные масла, биодизель, биоэтанол, биобутанол и биометанол. В будущем они, возможно, полностью заменят дизтопливо и бензин.

Топливо из растительного масла

Состоит из необработанного или рафинированного растительного масла (чаще всего рапсового) в чистом виде. Применяется вместо дизтоплива, но отличается от него по химическим характеристикам, поэтому требует модификации двигателей. Производится на крупных заводах (экстракция) и на небольших маслоэкстракционных предприятиях (холодное прессование). Главный недостаток рапсового биотоплива — окисление под воздействием кислорода и потеря текучести зимой.

Биобутанол

Известен также как бутиловый спирт, получаемый из биомассы:

• сахара,
• крахмала,
• соломы,
• древесины.

Если используются материалы с высоким содержанием целлюлозы (солома, древесина), то полученный продукт называют также целлюлозным бутанолом. Как источники энергии особенно важны n-бутанол и изобутанол (i-бутанол). Их добавляют в топливо для карбюраторных двигателей, а n-бутанол даже подмешивают к дизелю или применяют в чистом виде.

Биодизель

Представляет собой метиловые эфиры жирных кислот (МЭЖК), получаемые из растительных масел. Служит экологически чистой альтернативой дизельному топливу и имеет сходные с ним физико-химические характеристики.

Биоэтанол

Заменяет бензин, производится путем ферментации биогенного сырья и последующей перегонки. Сырьем для изготовления биоэтанола преимущественно служат:

• зерновые культуры (пшеница, рожь);
• сахарная свекла;
• кукуруза.

Поскольку химические свойства продукта отличаются от характеристик бензина, требуется изменение конструкции двигателей транспортных средств.

Биометанол

Применяется вместо обычного метилового спирта — одного из главных видов сырья в химической промышленности. Бесцветная, легко воспламеняющаяся жидкость с запахом спирта входит в состав топлива. Мировой спрос на метанол в 2015 году составил около 65 млн тонн. Для получения этого вещества, состоящего из монооксида углерода, воды и кислорода, используются невозобновляемые ресурсы: природный газ и уголь.

Газообразное

К газообразным видам топлива, получаемым из биологической массы, относятся биогаз, биометан и биоводород. Это будущая альтернатива природному газу, бензину, керосину.

Биогаз и биометан

Биогазом называют газ, который получают из энергетических растений, птичьего помета, канализационных стоков, жидкого навоза и/или органических побочных продуктов. При последующей переработке в биометан из него удаляют диоксид углерода и сероводород, а оставшийся продукт сжимают (уплотняют). Он хорошо подходит для транспортных средств, переоборудованных для работы на природном газе. Биометаном заменяют также бензин.

Биоводород

В основе производства биоводорода лежат биологические или химические процессы. В лабораторных масштабах его получают путем анаэробного сбраживания. Из богатых энергией органических соединений (белки, углеводы, жиры) бактерии наряду с CO2 синтезируют H2.

В промышленных масштабах биоводород получают путем термохимической обработки (газификация или пиролиз) и парового риформинга из:

• биомассы (древесина, солома, сено и т. д.),
• других носителей биоэнергии (биогаз, биоэтанол и др.)

Второй способ производства биотоплива — использование живой биомассы (например, цианобактерии, водоросли). В ходе отдельных метаболических процессов (фотосинтез, фиксация азота) водород вырабатывают определенные ферменты, такие как нитрогеназа или гидрогеназа.

Производство экотоплива в России

В Российской Федерации новая отрасль развивается медленно. В основном налажено производство дров, топливных гранул и брекетов. Большая часть пеллет (80%) идет на экспорт. Разрабатываются региональные программы интенсификации использования биодизеля.

Твердое биотопливо в России используется уже давно. Некоторые его виды россияне умеют делать самостоятельно. Например, кизяк (высушенный навоз) в большом количестве заготавливают жители Западной Сибири.

Недостатки биотоплива

1. Многие методы получения биотоплива все еще находятся в стадии разработки или прототипа. Практический опыт широкомасштабного применения пока отсутствует.

2. Высокие производственные расходы. Согласно немецкому Институту им. Роберта Коха, биоводород обходится в 4-5,5 раз дороже, чем бензин.

3. Выращивание энергетических культур может конкурировать с выращиванием продуктов питания. Увеличение спроса на альтернативные энергоносители считается одним из факторов, спровоцировавших возникновение кризиса цен на продовольствие в 2007-2008 годах.

4. По своим физико-химических свойствам биотопливо часто отличается от обычного , поэтому приходится производить адаптацию двигателей.

5. Поскольку производители склонны использовать при выращивании энергетических культур больше пестицидов и удобрений, страдают экология и жители расположенных рядом с полями поселков.

Преимущества биотоплива

1. При массовом внедрении регенеративных видов топлива ожидается значительное сокращение выбросов углекислого газа (на 50-70%) транспортными средствами. При сжигании биотоплива, в отличие от обычного, выделяется столько же CO2, сколько растения поглощают из воздуха в период роста.

2. Целенаправленное использование отечественного биотоплива в промышленности, сельском, коммунальном, транспортном и лесном хозяйстве приводит к снижению потребления сырой нефти. Это позволит надолго обеспечить сырьем предприятия тех отраслей, где минеральному сырью до сих пор нет альтернативы. Среди них заводы пластмасс и фармацевтические фабрики.

3. Подготовка, транспортировка, хранение и использование биологических видов топлива не связаны с риском возникновения экологической катастрофы, поскольку они легко разлагаются и не наносят вреда воде и почве. Предположение, что разведение энергетических растений приведет к распространению монокультур, считается необоснованным. Рапс, например, растет на одном участке не больше 4 лет подряд. Глубоко укореняясь, он и другие масличные культуры разрыхляют почву, делая ее пригодной для растений с поверхностной корневой системой (зерновые, кукуруза).

4. Производство биотоплива помогает в утилизации отходов сельского хозяйства и промышленных предприятий.

5. Биотопливо отличается низким потенциалом опасности для человека и окружающей среды.

Перспективы внедрения

Наряду с ЕС все большую поддержку производству экологически чистого, безопасного топлива оказывают США, Бразилия, Китай, Канада, Аргентина.

• Цены на обычное топливо, рост которых повышает конкурентоспособность экотоплива.
• Цены на сырье. Иногда они колеблются очень сильно. Сельскохозяйственная продукция резко дорожает, например, в неурожайные годы.
• Затраты на производство. Применение новых и усовершенствованных технологий поможет снизить расходы.
• Природно-ресурсный потенциала регионального и мирового хозяйства.
• Усовершенствование законодательной базы.
• Размер налогов.

Экотопливо некоторых видов (растительное масло, биоэтанол) можно производить не только на крупных, но и на небольших предприятиях, включая фермы. Установка сложного оборудования для получения биодизеля возможна только на крупных заводах.