Биотопливо из древесины

Размещено на http://www.allbest.ru/

биотопливо из древесины

В.В. Мальцев, зам. ген. директора по науке ОАО «Гипролеспром», д.х.н., академик РАЕН

В России есть то, чего нет во всем мире. Это фантастические по объему березовые леса и огромные пространства, на которых она растет. Это Мордовия, Мари Эл, Коми. А ведь береза исключительно быстрорастущее дерево.

Береза - это благодатный материал для производства этилового спирта. Но можно рационально использовать и ту массу, которая остается после производства этого продукта, т.е. сделать полностью безотходное производство.

Итак, для нашей страны есть самый мощный источник для производства этилового спирта. Сегодня это береза. А завтра это может быть и канадский клен, который растет с еще большей (просто дикой) скоростью. Кстати это дерево не только быстро растет, но и значительно осушает болота и содержит сахара в 2..3 раза больше, чем береза.

Кроме того, можно добиться увеличения роста березы и канадского клена в 2..3 раза за счет современных подходов с генетически модифицированным материалом. Кроме того, в весенний период в березе содержится сахара примерно столько же, как и в канадском клене. Можно делать просто плантации березы и канадского клена. Затем перерабатывать их в этиловый спирт.

В таком производстве нет никаких энергозатрат. Дело в том, что в этом технологическом процессе работают бактерии, именно они вызывают брожение. Энергия необходима только на этапе отгонки этилового спирта.

получение этилового спирта или этанола

1. Распространённым способом получения этилового (винного) спирта, или этанола, С2Н5ОН или СН3СН2ОН -- является брожение сахаристых веществ в присутствии дрожжей. Таким сахаристым веществом является, например, виноградный сахар, или глюкоза С6Н12О6, которая путем «брожения», вызываемого действием ферментов (энзимов), вырабатываемых дрожжевыми грибками - низшими растительными организмами, превращается в этиловый спирт. Эти ферменты служат биологическими катализаторами реакции брожения.

Реакция протекает согласно схеме:

С6Н12О6 > 2С2Н5ОН + 2СО2^

Глюкоза в свободном виде содержится, например, в виноградном соке, при брожении которого получается виноградное вино с содержанием спирта от 8 до 16% объема.

Глюкозу можно получить из дисахарда - Сахарозы или сахара - С12Н22О11. Его можно получить из сахарной свеклы (в ней содержится до 28% (масс.) сахарозы от сухого вещества) или сахарного тростника. Сахароза также содержится в соке березы, клена и некоторых фруктов.

При гидролизе она распадается с образованием молекулы глюкозы и молекулы фруктозы (образующаяся смесь этих моносахаридов называется инвертным сахаром):

С12Н22О11 + Н2О> С6Н12О6 (глюкоза) + С6Н12О6 (фруктоза)

2. Исходным продуктом для получения спирта может служить полисахарид Крахмал - (С6Н10О5)n, содержащийся, например, в клубнях картофеля, зернах ржи, пшеницы, кукурузы. Для превращения в сахаристые вещества (глюкозу) крахмал предварительно подвергают гидролизу. Для этого муку или измельченный картофель заваривают горячей водой и по охлаждении добавляют солод -- проросшие, а затем подсушенные и растертые с водой зерна ячменя. В солоде содержится диастаз (сложная смесь ферментов), действующий на процесс осахаривания крахмала каталитически. По окончании осахаривания к полученной жидкости прибавляют дрожжи, под действием фермента которых (зимазы), образуется спирт. Его отгоняют и затем очищают повторной перегонкой.

Проще говоря, крахмал с помощью солода, содержащего фермент диастаз, сначала превращают в сахар, который затем сбраживают в спирт.

Для справки: Из 3000 тонн зерна или 10000 тонн картофеля можно получить 790 т спирта (считая на 100%-ный).

3. В настоящее время осахариванию подвергают также другой полисахарид Целлюлозу или клетчатку - (С6Н10О5)n, образующую главную массу древесины. Для этого целлюлозу подвергают гидролизу в присутствии кислот (например, древесные опилки при 150--170°С обрабатывают 0,1--5% (масс.) серной кислотой под давлением 0,7--1,5 МПа). Полученный таким образом продукт также содержит глюкозу и сбраживается на спирт при помощи дрожжей (гидролизный спирт).

По сути, древесина, как и крахмал, превращается сначала в сахар, а из сахара получают спирт.

Для справки: Из 5500 тонн сухих опилок (отходы лесопильного завода средней производительности за год) можно получить 790 т спирта (считая на 100%-ный).

4. Этиловый спирт может быть получен синтетическим путем из этилена. В связи с тем, что при крекинге нефти образуется много этилена, этиловый спирт поучают путем гидратации этилена (присоединении воды к этилену) в присутствии катализаторов:

СН2= СН2 + H2O > СН3-СН2-OH.

Реакция гидратации этилена (в присутствии серной кислоты) была изучена ещё А. М. Бутлеровым, который предсказал и её промышленное значение.

Много этилового спирта расходуется на получение синтетического каучука по способу академика С. В. Лебедева. Пропуская пары спирта через специальный катализатор, получают дивинил (бутадиен):

H-СН2-СН2-OH + H-СН2-СН2-OH > СН2=СН-СН=СН2 + 2Н2О + Н2^,

который затем полимеризуется в искусственный каучук.

Этиловый спирт из березы и канадского клена - вот где наша сырьевая база. Тем более что у нас масса «лежащих на боку» гидролизных заводов. Их надо просто восстановить.

Но можно идти дальше. Дело в том, что из этилового спирта можно получать октан (см. алканы) и октен (см. алкены). Это трехстадийная реакция, которая разработана великим русским химиком Лебедевым (институт синтетического каучука), который жил и творил в Петербурге. Только он это делал для каучука, а можно сделать для октана, изооктана и октена. А октен превращается в октан. А это основные компоненты в топливе. Проще говоря, из спирта можно получать углеводороды. Октан - основная часть бензина.

Этот вопрос уже обсужден с заведующим кафедрой «Нефтехимического синтеза» Химического факультета МГУ. Была расписана предлагаемая реакция. С его стороны этот вариант был одобрен. В этом случае результат будет фантастический.

Далее можно добавлять октан в определенном отношении в этиловый спирт и получать супер-топливо для двигателей внутреннего сгорания. И все это необходимо разработать и быстрее запатентовать. На это есть ученые из почти загубленного Санкт-петербургского института синтетического каучука им. Лебедева и кафедры нефтехимии Химического Факультета МГУ, а также из института нефтехимического синтеза Российской Академии наук. Вот эта триада может решить этот вопрос. У нас в стране еще остались ученые очень высокой квалификации, которым это дело под силу. Но они живут в нищете и загоне.

Вот так можно решить проблему биотоплива для двигателей внутреннего сгорания, производя его из березы или канадского клена, а не из рапса, пшеницы или кукурузы. Рапс умертвляет землю. После, выращивая рапса, почва очень сильно истощается и становится просто непригодной для сельскохозяйственных угодий.

Даже если часть спирта перерабатывать в октан, то можно делать изящную комбинацию октана и этилового спирта. Такой продукт никто пить не будет по одной простой причине - примесь октана вызывает рвоту, эта смесь будет эффективно как топливо.

Комбинация этилового спирта с октаном и изооктаном - это вариант исключительно эффективный для нашей страны.

Химическая сторона технологии:

1. Производство бутадиена (С4H6 или CH2=CH-CH=CH2)

Бутадиен получают пропусканием этилового спирта через катализатор (дегидратация - выделение воды, дегидрирование - выделение водорода):

2CH3CH2OH > CH2=CH-CH=CH2 + 2H2O + H2

2. Производство бутана (С4H10 или CH3-СH2-СH2-CH3)

Бутан получают гидрированием с пропусканием бутадиена через катализатор:

CH2=CH-CH=CH2 + 2H2 > CH3-СH2-СH2-CH3

Бутан - газ, и сам по себе является идеальным топливом, т.к. газовое топливо полностью сгорает в двигателе, т.е. больше кпд и меньше экологического загрязнения окружающей среды.

3. Производство изооктана (С8Н18 или С(СН3)3-CH2-CH(CH3)2) и получение топливной азеотропной смеси этилового спирта и изооктана.

Азеотропная смесь - смесь двух или более жидкостей, состав которой не меняется при кипении. Например, азеотропная смесь воды и этилового спирта содержит смесь из 95,57% C2H5OH и кипит при температуре 78,4°С. Этим объясняется принятая промышленная концентрация этилового спирта 96%: это азеотропная смесь и дальнейшей перегонкой её нельзя разделить на фракции. Температура кипения для азеотропной смеси может быть как меньше, так и больше температуры кипения компонента. При изменении давления изменяется не только температура кипения, но и состав азеотропной смеси, этим они отличаются от чистых жидкостей.

ЖИДКИЕ ТОПЛИВА ИЗ НЕФТИ

Жидкие топлива, получаются при фракционной перегонке нефти и различаются температурой кипения:

1. Бензины (температура кипения - 40-180°С) содержат смесь углеводородов от C5H12 до С10Н22, получаемых при прямой перегонки нефти с температурой кипения не выше 205°С.

При повторной перегонке выделяются:

- петролейный эфир - (температура кипения - 40-70°С),

- авиационный бензин (температура кипения - 70-100°С),

- автомобильный бензин (температура кипения - 100-120°С)

2. Керосины (температура кипения - 180-270°С) содержат смесь углеводородов от C10H22 до С16Н34.

3. Солярные масла (температура кипения - 270-360°С) содержат смесь углеводородов от C12H20. Из них получают смазочные масла и различные виды дизельного топлива.

4. Мазут (нефтяные остатки - 40-50%). Из мазута получают тяжелые смазочные масла, вазелин и парафин.

Особенности бензинов

Эксплуатация двигателя внутреннего сгорания автомобиля, работающего на бензине, в режиме повышенной нагрузки приводит к возникновению стука в его цилиндрах. Это связано с детонацией бензина. Детонация моторного топлива представляет собой чрезвычайно быстрое разложение (взрыв) углеводородов, которое происходит внезапно при сжатии горючей смеси (смесь воздуха и бензина) в цилиндре двигателя. Детонация не дает возможности достигнуть высокой степени сжатия горючей смеси, так как топливо самовоспламеняется раньше, чем поршень достигнет самой верхней точки цилиндра. Это ведет к излишнему расходу топлива и быстрому износу мотора. Детонационные свойства топлива зависят от строения углеродных цепей в молекулах углеводородов, входящих в его состав. Изомеры с сильно разветвленной цепью детонируют гораздо труднее, чем изомеры с неразветвленной цепью.

Антидетонационные свойства моторного топлива характеризуют так называемым октановым числом (о.ч.). В качестве стандартных образцов для определения октанового числа берут углеводород гептан С7Н16 (СН3-СН2-СН2-СН2-СН2-СН2-СН3) с неразветвленной цепью атомов, весьма легко детонирующий, и один из изомеров октана С8Н18 (изооктан, С(СН3)3-CH2-CH(CH3)2), с разветвленной цепью атомов, мало склонный к детонации:

Октановое число гептана принимается равным нулю, а изооктану приписывается о.ч. 100. Если о.ч. топлива равно 80, то это значит, что данный вид топлива детонирует в смеси с воздухом (при такой же степени сжатия), как смесь, состоящая из 80% изооктаиа и 20% гептана по объему. Для двигателей, работающих на бензине, чем выше октановое число, тем лучше.

Повышение октанового числа топлива достигается увеличением содержания в нем углеводородов с разветвленной цепью атомов и ароматических углеводородов, а также прибавлением антидетонаторов, обычно тетраэтилсвинца, небольшое количество которого значительно снижает детонацию. Современным антидетонатором, промышленное производство которого в мире быстро растет, является метил-трет-бутиловый эфир (СН3-О-(СН3)3).

Дизельное топливо. Средние и тяжелые фракции прямой перегонки нефти (с температурой кипения от 270 до 400°С) составляют топливо для высокооборотных дизельных двигателей.

В дизельных двигателях сжатию подвергается только воздух, температура которого при этом повышается до 300°С и более. Топливо впрыскивается в камеру сгорания почти в самом конце хода сжатия и самовоспламеняется. Дизельное топливо не должно быть летучим, поэтому оно состоит из высококипящих фракций нефти (выше фракции керосина). Для дизельных двигателей более подходящим является не высокооктановое топливо, как для карбюраторных двигателей, а низкооктановое. Для характеристики способности дизельного топлива самовоспламеняться используется цетановое число (ц.ч.), которое показывает, что данное топливо ведет себя так же, как и определенная смесь по объему углеводородов цетана (неразветвленный углеводород С16Н34, ц.ч.=100) и метилнафталина (ц.ч.= 0). Цетановое число для высокооборотных дизелей колеблется от 35 до 50.

Мазут. Для малооборотных дизелей топливом является разбавленный керо-синово-газойлевыми фракциями мазут. Мазут -- это остаток после отгона из нефти топливных фракций: лигроина, бензина, керосина и дизельного топлива. Мазут в своем составе содержит различные смолы, асфальтены, кокс и другие соединения. Мазут применяется также в качестве топлива для паровых котлов, промышленных печей, газовых турбин. Значительная часть мазута перерабатывается в более легкое моторное топливо, а также в масла и битум.

Керосин. В реактивных двигателях в качестве топлива используется керосиновая фракция нефти. Здесь исходят из того, чтобы топливо имело более высокую удельную теплотворную способность, полностью сгорало (было менее коптящим), не теряло своей текучести при низких температурах.

Поиски топлива с повышенной удельной теплотворной способностью привели к созданию бороводородного, металлоуглеводородного и др. топлив. Металло-углеводо-родные топлива представляют собой суспензию магния, алюминия, бора (в сумме до 50% масс.) в обычном жидком топливе, производимом из нефти.

Изооктан (или 2,2,4-триметилпентан, С8H18 или С(СН3)3-CH2-CH(CH3)2 - предельный углеводород алифатического ряда - алкан), прозрачная бесцветная жидкость с запахом бензина; tпл -107,38°С, tкип - 99,24°C, плотность 0,69192 г/см3 (20°C), теплота сгорания 5,463 МДж/моль, или 1305,29 ккал/моль (25°С, p = const), теплота испарения 307,63 Дж/г, или 73,50 кал/г (25°С). Антидетонационные свойства изооктана приняты за 100 единиц шкалы октановых чисел. Изооктан применяют (как добавку) в производстве авиационных бензинов, к которым предъявляют требование высоких антидетонационных свойств.

Изооктан нерастворим в воде, растворим в обычных органических растворителях; образует азеотропные смеси, например с бензолом, метиловым и этиловым спиртами.

В промышленности ИЗООКТАН получают:

1. Гидрированием ДИИЗОБУТИЛЕНА над катализатором, например медно-хромовым.

2. Алкилированием ИЗОБУТАНА ИЗОБУТИЛЕНОМ в присутствии концентрированной серной кислоты, AlCl3, BF3 или др. катализаторов.

Алкилирование -- введение алкильного заместителя в молекулу органического соединения. Процесс алкилирования направлен на получения высокооктановых компонентов автомобильного бензина из непредельных углеводородных газов. В основе процесса лежит реакция соединения алкена и алкана с получение алкана с числом атомов углерода равным сумме атомов углерода в сходном алкене и алкане. Поскольку наибольшим октановым числом обладают молекулы алканов с изо-строением, то молекулы исходного сырья тоже должны иметь изо-строение. В нефтепереработке наибольшее распространение получило сырье алкилирования бутан-бутиленовая фракция (ББФ), которая получается при в процессе каталитического крекинга. Основной компонент ББФ изо-бутан и бутилен.

Основные реакции при получении изооктана:

1. изо-бутан + изо-бутилен = изо-октан (2,2,4-триметилпентан) (Октановое число - 100 ед.)

2. изо-бутан + бутилен-2 = изо-октан (2,2,3-триметилпентан) (ОЧМ < 100)

3. изо-бутан + изо-бутилен = изо-октан (2,2,3,3-тетраметилбутан) (ОЧМ>100)

Бутан имеет два изомера: н-бутан (CH3-CH2-CH2-CH3) и изобутан ((СН3)3СН). Изобутан - сжиженный газ, являющийся более ценным углеводородом, чем нормальный бутан или пропан, используемые в качестве топлива или сырья установок пиролиза. В нефтепереработке изобутан используется для получения высокооктанового алкилбензина - продукта реакции изобутана с бутиленами или пропиленом. Относительно дешевым источником последних являются фракции сжиженных газов процесса каталитического крекинга. Дегидрированием изобутана в изобутилен с последующей этерификацией метиловым или этиловым спиртами получают кислородсодержащие добавки к бензинам - метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) и экологически чистый этил-трет-бутиловый эфир (ЭТБЭ), имеющие октановые числа 117 и 112 пунктов (ИМ), соответственно. Изобутилен (СН3)2С=СН2 -- ненасыщенный углеводород, изомер бутилену.

Основные виды жидких биотоплив

Биотопливо -- это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки стеблей сахарного тростника или семян рапса, кукурузы, сои. Существуют также проекты разной степени проработанности, направленные на получение биотоплива из целлюлозы и различного типа органических отходов, но эти технологии находятся в ранней стадии разработки или коммерциализации. Различается жидкое биотопливо (для двигателей внутреннего сгорания, например, этанол, метанол, биодизель), твёрдое биотопливо (дрова, солома) и газообразное (биогаз, водород).

Биоэтанол. Этанол - С2Н6О (C2H5OH или CH3-CH2-OH - этиловый спирт) - является менее «энергоплотным» источником энергии чем бензин; пробег машин работающих на Е85 (смесь 85 % этанола и 15 % бензина; буква «Е» от английского Еthanol) на единицу объёма топлива составляет примерно 75 % от пробега стандартных машин. Обычные машины не могут работать на Е85, хотя двигатели внутреннего сгорания прекрасно работают на Е10 (некоторые источники утверждают, что можно использовать даже Е15).

Автозаправки в Бразилии предлагают на выбор Е20 (или Е25) под видом обычного бензина, или «acool», азеотроп этанола (96 % С2Н5ОН и 4 % воды; выше концентрацию этанола невозможно получить путём обычной дистилляции). Пользуясь тем, что этанол дешевле бензина, недобросовестные заправщики разбавляют Е20 азеотропом, так что его концентрация может негласно доходить до 40 %.

Промышленное производство спирта из биологического сырья

Известный с давних времён способ получения этанола -- спиртовое брожение органических продуктов. Схему реакции можно выразить уравнением:

C6H12O6 > 2C2H5OH + 2CO2

Отходами бродильного производства являются углекислый газ, барда, эфиро-альдегидная фракция, сивушный спирт и сивушные масла.

В промышленных масштабах этиловый спирт получают из сырья, содержащего целлюлозу (древесина, солома), которую предварительно гидролизуют. Образовавшуюся при этом смесь пентоз и гексоз подвергают спиртовому брожению. В странах Западной Европы и Америки эта технология не получила распространения, но в СССР (ныне в России) существовала развитая промышленность кормовых гидролизных дрожжей и гидролизного этанола.

Биобутанол. Бутанол - С4Н10О (или C4H9OН -- бутиловый спирт) - бесцветная жидкость с характерным запахом. Широко используется в промышленности. В США ежегодно производится 1,39 млрд. литров бутанола. Энергия бутанола близка к энергии бензина. Сырьём для производства биобутанола могут быть сахарный тростник, свекла, кукуруза, пшеница, маниока, а в будущем и целлюлоза.

Биодизель -- топливо на основе жиров животного, растительного и микробного происхождения, а также продуктов их этерификации. Для получения биодизельного топлива используются растительные или животные жиры. Сырьём могут быть рапсовое, соевое, пальмовое, кокосовое масло, или любого другого масла-сырца, а также отходы пищевой промышленности. Разрабатываются технологии производства биодизеля из водорослей.

Метанол. Среди новых и перспективных видов топлива особое внимание привлекает метанол СН3ОН. Для его производства имеется хорошая сырьевая база, а сама технология его получения хорошо отработана в промышленном масштабе. По сравнению с бензином метанол имеет более высокие антидетонационные свойства и его применение позволяет увеличить мощность двигателя на 15%. К недостаткам применения метанола относятся: повышенный, по сравнению с бензином, расход, так как удельная теплотворная способность метанола меньше; повышенная, по сравнению с бензином, химическая активность; гигроскопичность и то, что метанол -- сильнодействующий яд.

Критики развития биотопливной индустрии заявляют, что растущий спрос на биотопливо вынуждает сельхозпроизводителей сокращать посевные площади под продовольственными культурами и перераспределять их в пользу топливных. По оценкам Стэндфордского университета во всём мире из сельскохозяйственного оборота выведено 385 -- 472 миллиона гектаров земли. А по расчётам экономистов из Университета Миннесоты, в результате биотопливного бума число голодающих на планете к 2025 году возрастёт до 1,2 млрд. человек.

С другой стороны, при производстве этанола из кормовой кукурузы барда используется для производства комбикорма для скота и птицы. При производстве биодизеля из сои или рапса жмых используется для производства комбикорма для скота. Рост потребления биотоплив может помочь диверсифицировать сельскохозяйственную и лесную деятельность, и улучшить безопасность пищевых продуктов, способствуя экономическому развитию, т.к. позволит создать в развивающихся странах новые рабочие места, снизить их зависимость от импорта нефти. Кроме этого производство биотоплив позволит вовлечь в оборот ныне не используемые земли.

В 2007 году во всём мире было произведено 54 миллиарда литров биотоплив, что составляет 1,5% от мирового потребления жидких топлив. Производство этанола составило 46 миллиардов литров. США и Бразилия производят 95% мирового объёма этанола. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США из кукурузы.

В январе 2007 г. в США был предложен план «20 за 10». План предлагает сократить потребление бензина на 20 % за 10 лет, что позволит сократить потребление нефти на 10 %. 15 % бензина предполагается заменить биотопливами. 19 декабря 2007 года в США принят закон о Энергетической независимости и безопасности (EISA of 2007), который предусматривает производство 36 миллиардов галлонов этанола в год к 2022 году. При этом 16 млрд. галлонов этанола будет производиться из целлюлозы -- не пищевого сырья.

Россия может стать одним из лидеров по производству биотоплива. До конца года "Корпорация Биотехнологии", контрольный пакет акций которой принадлежит госкорпорации "Ростехнологии", намерена создать десять площадей для производства биотоплива. Как пояснили корреспонденту "РГ" в компании, всего к 2017 году планируется открыть 30 биопроизводств.

В них будет вложено около 1,5 миллиарда долларов. Производство биотоплива для России необходимо, чтобы не потерять свою роль в импорте на мировом рынке. Ведь при производстве биотоплива запасы нефти можно растянуть на более долгий период.

В США при производстве "чистого" топлива из кукурузы наносится значительно больший ущерб окружающему миру, чем бензиновыми выхлопами. Поэтому из 30 биопроизводств, которые намерена открыть "Корпорация Биотехнологии", 10 будут работать на основе спиртовых заводов, 10 - на предприятиях по переработке леса и 10 - на базе гидролизных комбинатов.

Компания, которая существует полгода, уже 11 сентября начала выпуск биобутанола на заводе в Иркутской области. В год производство топлива может составить до 30 тысяч тонн биобутанола. В Красноярском крае первым объектом "Биотехнологий" станет Канский биохимический завод, который будет полностью перепрофилирован. Объем инвестиций составит 2,8 миллиарда рублей. "Биотехнологии" в партнерстве с PetroVietnam и ИФК "Метрополь" намерены построить и во Вьетнаме завод по производству биотоплива.

По планам Евросоюза, до 2020 года предстоит заменить более 20 процентов получаемого из нефти моторного топлива альтернативными источниками энергии.

[Источник: Татьяна Шадрина "Бензин" из опилок - «Российская газета», 06.11.2008]

НУЖНО ЛИ РОССИИ БИОТОПЛИВО?

Если вам довелось не так давно путешествовать по Европе или США на автомобиле, то, скорее всего, от вашего внимания не ускользнуло большое количество бензоколонок, на которых теперь можно заправить свой автомобиль биотопливом. И если каких-то лет двадцать назад казалось, что никакой альтернативы нефти нет и не будет, то теперь ситуация начинает меняться. Что означает эта тенденция для России и стоит ли нам развивать это направление - на этот вопрос мы постараемся ответить.

Начиная с 2003 года, в мире наблюдалась устойчивая тенденция по росту производства и потребления биотоплива. Основной причиной этому послужила щедрая поддержка индустрии со стороны правительств США и Европы, а основными предпосылками стали рост цен на нефть, идеи энергетической безопасности, стремление к уменьшению выбросов парниковых газов. В США наибольшую популярность приобрел топливный этанол, получаемый в основном из кукурузы и используемый как вместо бензина, так и в смеси с ним. Следует отметить тот факт, что если содержание этанола в смеси не превышает 10%, то двигатель внутреннего сгорания не нуждается в переделке. В Европейских странах большее развитие получил биодизель, сырьем для которого служат различные масла - рапсовое, пальмовое, подсолнечное - и который может применяться как вместо дизельного топлива, так и в смеси с ним. По аналогии с этанолом смеси с низким содержанием биодизеля не требуют внесения изменений в конструкцию двигателя.

Щедрая поддержка со стороны государств США и Западной Европы привели к безудержному росту мощностей по производству биоэтанола и биодизеля в этих странах. Так, только за последние три года производственная мощность этих производств увеличилась примерно в 3-4 раза. Вместе с тем это увеличение сопровождалось ростом цен на продовольствие, что дало повод многим политикам обвинить биотопливную индустрию в раздувании цен на продовольственные товары. Хотя в настоящее время существует множество исследований (New Energy Finance: 'Food price increases: Is it fair to blame biofuels?'), показывающих, что этот скачок цен был во многом обусловлен увеличением населения в развивающихся странах и повышением их уровня жизни, биотопливная индустрия не смогла отстоять свои интересы в глазах общества, поэтому интерес к ней постепенно стал угасать.

Зато повышенным вниманием стало пользоваться биотопливо второго поколения - топливо, получаемое, например, из соломы или отходов древесного производства, то есть не конкурирующее за землю с пищевыми отраслями и имеющую низкую или даже отрицательную стоимость сырья. В настоящее время производство биотоплива второго поколения находится в зачаточном состоянии и реализуется только в нескольких пилотных проектах, по различным оценкам до коммерческого производства осталось от 2 до 3 лет. Проблемой здесь является пока еще высокая стоимость переработки биомассы, и еще не до конца ясно, какая технология окажется наилучшей: газификация, кислотный или ферментный гидролиз - хотя последний способ считается наиболее перспективным.

Интересными направлениями здесь также являются получение биобутанола и выращивание алгае. Биобутанол обладает более высокой энергоемкостью, чем биоэтанол, а также в отличие от последнего позволяет использовать существующую инфраструктуру для его транспортировки. О намерениях создать производство биобутанола объявили корпорации BP и DuPont. Алгае же представляют собой простейшие водоросли, которые активно размножаются и увеличивают свою биомассу при потреблении углекислого газа и воздействии солнечного света. Путем несложной переработки из алгае получается биодизель.

Модные западные веяния не обошли стороной и Россию. В течение 2007 и 2008 года было заявлено порядка десяти проектов по производству биодизеля и биоэтанола. Будучи на посту председателя правительства, о необходимости поддержки этой отрасли заявлял Зубков. Но в отличие от западных стран Россия обладает огромными резервами углеводородов и еще долгое время будет оставаться основным поставщиком энергетических ресурсов в мире. Так нужно ли России производство биоэтанола и биодизеля?

Что имеем

На Россию приходится около 9% земель в мире, пригодных для выращивания сельскохозяйственных культур. Большая часть из этих земель не используется, что означает наличие огромного потенциала по производству биотоплива в нашей стране. Тем не менее, на фоне западных стран активность в этой сфере у нас практически стремится к нулю, что объясняется, прежде всего, наличием больших запасов традиционных источников энергии и административными барьерами.

Например, выращивание культур для биотоплива подпадает под юрисдикцию министерства сельского хозяйства РФ, а получение топливного этанола из них подпадает под контроль не только этого министерства, но и местных администраций. Самым же главным препятствием для развития биоэтанола является то, что он, как и алкогольная продукция, облагается акцизом в 25 рублей на литр, то есть только размер этого акциза уже превышает себестоимость бензина. В марте этого года правительство Зубкова пообещало широкую поддержку этанольному бизнесу и поставило амбициозную цель по выпуску 2.5 млрд. литров этанола в год, но никаких реальных законопроектов в этом направлении принято не было. Отсутствие ясности и четких перспектив развития отрасли не вызвало большого оптимизма со стороны инвесторов, и потому на сегодняшний день в России работает только одно производство (из заявленных десяти, см. табл.1), выпускающее небольшие партии биоэтанола.



Что касается биодизеля, то на сегодняшний день в России не работает ни один завод по выпуску этого биотоплива, хотя в прессе можно найти большое количество заявлений о старте биодизельных проектов. Потенциальным сырьем для них в нашей стране является подсолнечное, рапсовое и соевое масло. Производство подсолнечного масла в России в несколько раз превышает внутреннее потребление, и, казалось бы, оно должно быть наиболее интересным для производителей биодизеля. Однако серьезным препятствием здесь являются высокие цены на подсолнечное масло, которые делают его переработку в биодизель практически бессмысленной. Большинство проектов в качестве сырья собирается использовать рапс: согласно оценкам Российской биотопливной ассоциации производство рапса в стране должно утроиться в ближайшее время и достигнуть 3.5 миллионов тонн в год благодаря увеличению площади посадки рапса на 1.1 миллион гектар в следующие три года. Основная цель этого увеличения - производство и экспорт биодизеля в Европу. Однако, уже начиная с 2015 года, рапсовый биодизель не будет удовлетворять европейским стандартам по снижению выбросов углекислого газа, и скорее всего российским производителям придется искать новые рынки для сбыта своей продукции. Если учесть то, что строительство биодизельного производства занимает 1-2 года, а средний срок окупаемости 7-8 лет, то проекты, которые сейчас находятся на стадии планирования, сталкиваются с серьезными рисками потери продаж через 3-4 года после ввода в эксплуатацию, поэтому вероятность увидеть рост этого сектора близка к нулю.

А что же с биотопливом второго поколения? В принципе можно догадаться, что если в России нет никакой реальной активности с биотопливом первого поколения, то со вторым дела обстоят еще хуже. Стоит лишь отметить, что не так давно Ростехнологии купили Тулунский гидролизный завод и собираются производить на нем топливный этанол из отходов деревообработки. Также заявлено о намерении купить еще порядка 20-30 гидролизных заводов с той же целью. Не сомневаемся, что государственной корпорации удастся пролоббировать отмену акциза на этанол и возможно добиться хороших преференций, но ключевым вопросом будет себестоимость продукта, полученного таким способом на старом оборудовании. На Западе уже лет пять идет активный исследовательский процесс и были достигнуты хорошие результаты по улучшению себестоимости с помощью самых современных технологий, тем не менее, до коммерческого производства дело пока не дошло. Поэтому многие специалисты сомневаются в целесообразности этих инвестиций со стороны Ростехнологий.

Получается, что биотопливная отрасль в России находится в зачаточном состоянии, и шансов на ее рост при прочих равных практически нет. Для того чтобы привлечь инвесторов, государство должно не только декларировать свой интерес к отрасли, но и принять соответствующие законы по ее поддержке и развитию, основываясь на опыте своих западных соседей. Тут правда встает вопрос - а нужно ли нам все это?

Стоит ли овчинка выделки?

Если взглянуть на историю биотопливной индустрии в мировом масштабе за последние несколько лет, то окажется, что наиболее здоровой она была в период низких цен на продовольствие и относительно высоких - на нефть. В 2007 и 2008 годах ситуация резко поменялась, и даже при серьезных государственных дотациях объявляют о своем банкротстве некоторые этанольные компании (например, Verasun) в США, в Европе начинают простаивать мощности по производству биодизеля, появляется тенденция к постепенному отказу от поддержки отрасли со стороны правительств и т.п. Единственным, по сути, исключением является этанол из сахарного тростника, который имеет низкую себестоимость и в больших количествах производится в Бразилии.

Так как сахарный тростник у нас не растет, то априори получается, что сектор потребует дотаций со стороны государства. А зачем России еще одна индустрия, живущая на дотации?

Поэтому проекты, у которых в процессе полного цикла выращивания (с учетом удобрений, сельхозтехники, транспорта и т.д.) и переработки культур тратится топлива больше, чем его потом получают, или которые увеличивают выбросы углекислого газа (что происходит, например, при вырубке леса для увеличения посевных площадей), должны отклоняться.

[Источник: Александр Корчевский, Старший аналитик I2BF Capital Advisors, 18.11.2008]

ПРИНЦИПИАЛЬНЫЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО НОВОМУ ПРОЕКТУ ПОЛУЧЕНИЯ ТОПЛИВА ДЛЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ИЗ БИОСЫРЬЯ

В настоящее время в области использования биоресурсов для производства топлива для двигателей внутреннего сгорания (ТДВС) существует 4 основных направления:

1. Известный уже не менее 35 лет способ добавления в бензин этилового спирта количестве 10-15% от общей массы ТДВС (без переделки двигателя, в США - 10%), а с переделкой двигателя до 85%.

2. Использование в качестве дизельного топлива этерифицированных масел растительного происхождения, например - рапсового масла в виде метиловых эфиров (до 10% от обычного дизельного топлива).

3. Получение из растительных отходов биобутанола.

4. Производство простых эфиров - диметиловый эфир (СН3-О-СН3), этил-трет-бутиловый эфир (С2Н5-О-(СН3)3).

Из всех указанных способов получения ТДВС относительно широкое распространение получил первый способ, который наиболее широко применяют в Бразилии - добавка в бензин этилового спирта.

Учитывая малое содержание этилового спирта в топливной смеси, это направление не решает проблему.

Определенное промышленное развитие получили технологии производства дизельного топлива из растительных масел (рапсовое масло), но надеяться на его развитие не проходится. т.к. соответствующие масличные культуры требуют огромных площадей и к тому же катастрофически истощают почву, которая на десятилетия становится неплодородной для сельхоздеятельности. В условиях неумолимо надвигающегося мирового продовольственного кризиса, это направление не имеет серьезных перспектив.

Получение биобутанола из растительных отходов - это длительный биохимический процесс, максимальный выход которого - 25% от биомассы и большое количество побочных продуктов, требующих дорогостоящих процессов отделения и утилизации.

При таких показателях перспективы использования бутанола как массовой добавки к бензинам под большим вопросом. К тому же надо учитывать экологический аспект возможного массового применения бутанола в составе ТДВС. Те компании, которые продвигают идею бутанольного топлива, прежде всего не удосужились ознакомится с его токсическими характеристиками. В то же время бутанолы относятся к наркотикам (!) с раздражающим действием верхних дыхательных путей и это действие в 5-6 раз (!) сильнее, чем действие ацетона или гидролизных или сульфатных спиртов (например, этилового спирта) [1]. Бутанол имеет очень неприятных запах.

Примерно тоже самое относится к простым эфирам - диметиловому, этил-изобутиловому и др. По общему характеру действия это наркотики, раздражающие слизистые оболочки и верхнее дыхательные пути [1, c. 434]. Некоторые поражают печень и почки. При горении могут образовываться чрезвычайно раздражающие соединения (токсичность выхлопов) [1, c. 438]. Этилбутиловый эфир приводит к гибели крыс после вдыхания 5 минут насыщенных паров. Но это еще не все. В процессе хранения простые эфиры окисляются кислородом воздуха, образуя крайне взрывоопасные гидроперекиси [2], например по реакции:

O2

С2Н5-OС-(CH3)3 > СН3-CH(O-OH)-OС-(CH3)3

Подобные свойства простых эфиров полностью исключают массовое их применение в качестве добавок к ТДВС, а сторонникам этой идеи необходимо чаще читать литературу по органической химии и токсикологии органических веществ.

В связи с вышеизложенным автор настоящего проекта предлагает следующий технологию производства чисто углеводородного ТДВС.

1. Переработка растительных (250 млн.т/год) и древесных (50млн.т/год) отходов в этиловый спирт - 60% выхода от общей массы отходов. Отдельное направление - березовые леса (самые крупные запасы в мире) и березовые плантации, а также плантации «сахарного клена».

Производственная база - многочисленные гидролизные заводы РФ.

Кислотный гидролиз целлюлозы древесины приводит к количественному образованию глюкозы, которую затем сбраживают с получением этилового спирта, отделяемого перегонкой:

кислота

1. (С6Н10О5)n + n·H2O > n·C6H12O6

Н2SO4

2. C6H12O6 > 2CO2 + 2C2H5OH

Полученный этиловый спирт подвергают каталитическому превращению в три стадии, получая в качестве конечного продукта чистый октан:

СН3(СН2)6СН3,

растительный этанол промышленный биотопливо

Молекулярная масса 114,24; плотность 0,703 грамм/см3, температура застывания - минус 56,8єС, температура кипения - +124,7єС. Предельно допустимая концентрация в воздухе рабочей зоны - 300 мг/м3 [1, стр. 11].

Литература

1. Вредные вещества в промышленности, т.1, стр. 372-374. Изд. Химия, ленинградское отделение. 1976 г.

2. И.И. Гранберг. Органическая химия. Изд. «Дрофа» - Москва, 2002 г.

3. Из древесных опилок можно получать качественное жидкое топливо

4. Найден дешевый способ получения топлива из целлюлозы

5. Мини-завод "ПОТРАМ-Лигнин-Пиролиз" по переработке лигнина, опилок, щепы в бензин и дизтопливо.

Размещено на Allbest.ru