Акупунктура, Аюрведа Ароматерапия и эфирные масла, Консультации специалистов: Рэйки; Гомеопатия; Народная медицина; Йога; Лекарственные травы; Нетрадиционная медицина; Дыхательные практики; Гороскоп; Правильное питание Эзотерика

Предисловие

Предлагаемая читателю монография, прежде всего, посвящается выдающимся отечественным ученым и специалистам, стоявшим у истоков создания отечественной биоэнергетики задолго до ее активного развития за рубежом: академикам АН СССР – В.Н. Шапошникову, А.И. Опарину, Н.М. Сисакяну, Н.Д. Иерусалимскому, Е.Н. Кондратьевой; членам-корреспондентам АН СССР – С.И. Кузнецову, Н.В. Букину, И.В. Березину; академикам АН Лат ССР – М.Е. Бекеру, У.Э. Виестуру; профессорам – В.Я. Быховскому, В. А.Зуеву, Л.Л.Гюнтер, А. А. Ковалеву, Л.Л. Гольдфарбу, Г.Д. Ананиашвили, В.В. Алексееву; инженеру-технологу И. С. Логоткину, инженерам – В. А. Пожарнову, Н. И. Майорову, И.И. Школе, Т.Я. Андрюхину, В.М. Шрамкову, П.И. Гридневу, В.П. Лосякову, И.В. Семененко, В.Б.Костяку, Л.И.Монгайту, специалистам ГКНТ СССР В.И. Доброхотову, М.И. Фугенфирову, Н.Л. Кошкину, И.Х. Нехорошему, Скабиеву Е.М., Шкапкину В.И. и другим.

В книге представлены зарубежные и отечественные достижения по всем современным направлениям бурно развивающейся Биоэнергетики как самостоятельного сектора общей мировой энергетики, ее теоретическим основам, технологиям, оборудованию и практическому применению..

Большое внимание уделяется теории и практики природного метаногенеза как сложнейшего биологического процесса, активно участвующего в кругообороте углерода в биосфере, роли этого процесса в эволюции живого на земле, его глобальному участию в образовании ископаемых углеводородов.

В книге в значительном объеме использованы и цитируются работы, обзоры и монографии выдающихся зарубежных ученых и специалистов как в области биоэнергетики, так в области биологического метаногенеза и его практического применения.

Книга рекомендуется для специалистов России, работающих в указанной области, для студентов, аспирантов и преподавателей кафедр, факультетов, вузов, изучающих и развивающих отечественную биоэнергетику.

Автор.

Часть первая
Биоэнергетика: мир и Россия

Глава 1. Введение

1.1. Биоэнергетика – самостоятельный сегмент мировой энергетики

«Бурить на глубинах приходится потому, что все сложнее найти новые месторождения. И чем труднее добыть нефть, тем больше ущерб от добычи окружающей среде. Проблема принимает глобальные масштабы, нужно искать новые решения, которые будут в гармонии с природой, и которые можно будет контролировать».

Синтия Уорнер – топ-менеджер ВР.

Сжигая уголь, практически сжигают только углерод [1-45]. При сжигании нефти на каждый атом углерода приходится два атома водорода, т. е. на каждый потребленный атом углерода нефти выделяется вдвое больше энергии, чем при сжигании угля. А это значит, что при полной замене нефти или газа на уголь его необходимо будет сжигать вдвое больше, что приведет к резкому увеличению углекислого газа в атмосфере. В 1958 г. количество углекислого газа в атмосфере составило 315 млн. т, а в 1980 г. 338 млн. т, т. е. увеличилось за 22 года на 7 %, тогда как в 1880 г. эта цифра составляла 290 млн. т, или за 100 лет концентрация CO₂ в атмосфере увеличилась всего на 15 %. Таким образом, темпы роста концентрации CO₂ в атмосфере с каждым годом увеличиваются, что приводит к усилению «парникового эффекта» и повышению температуры на земном шаре.

Температура атмосферы Земли увеличивается не только за счет усиления "парникового эффекта", но, как впервые указал на это лауреат Нобелевской премии, един из создателей отечественной атомной энергетики, создатель теории цепных реакций академик Н. Н. Семенов, и благодаря постоянно увеличивающемуся тепловому загрязнению.

Постоянное сжигание в огромных количествах ископаемых топлив или создание других мощных топливных носителей приводит к постоянному выбросу тепла в биосферу. Сегодня человечество за счет различных источников энергий производит до 5 10¹⁹ кал тепла в год, что составляет 1/20 000 часть падающей солнечной энергии на Землю или 1/5000 солнечной энергии, поглощаемой массой Земли. В среднем производство энергии увеличивается на 5 % в год. При таких темпах через 200 лет человечество будет производить столько же тепла, сколько дает Солнце, что скажется на изменении теплового баланса Земли. [1–2]

Рис. 1–1. Н.Н. Семенов. 1896–1986 гг.

Перегрев Земли на 3–4 °C может привести к серьезным негативным последствиям.

Какой же вывод следует из всего вышесказанного?

Существующим технологиям производства энергии необходимо противопоставить технологии, основанные на использования экологически чистой энергии, при сохранении круглогодичного баланса СО₂ в атмосфере и при минимальном тепловом загрязнении атмосферы.

В качестве таких основных источников энергии на Земле в будущем следует рассматривать, с одной стороны, ядерную, получаемую как в результате деления тяжелых ядер, так и синтеза легких, с другой – солнечную энергию [1–3].

Благодаря прямому использованию различных форм солнечной энергии (солнечного тепла и фотоэлектрического эффекта, энергии ветра и процесса фотосинтеза) можно избежать теплового загрязнения, твердых и газообразных выбросов в атмосферу, и существенно уменьшать потребление ископаемых топлив [1–4].

Преимущества использования солнечной энергии очевидны:

Во-первых, исключается тепловое загрязнение среды, потому что не выделяется дополнительная тепловая энергия. Единственным источником тепловой энергии служит Солнце.

Во-вторых, при использовании солнечной энергии исключается возникновение побочных продуктов и отходов. Использование солнечной энергий доступно повсеместно, что позволяет лучше использовать природную среду.

Ветровая энергия – производная солнечной энергии – также не загрязняет окружающую среду.

И наконец, продукт фотосинтеза – биомасса, конвертирование которой в топливо возможно несколькими путями, причем, некоторые из них самым тесным образом связаны с охраной окружающей среды.

Все перечисленные модификации солнечной энергии и ее производные не ограничены во времени и будут действовать, пока светит Солнце.

Очень тесно с проблемами современной энергетики смыкается другая стоящая сегодня перед человечеством проблема – это охрана окружающей среды. Успехи современной науки и техники достаточно наглядно демонстрируют, что эти две проблемы могут решаться одновременно. Речь идет о разработке научных методов и технологий получения энергии и топлива при одновременном решении вопросов, связанных с охраной окружающей среды из-за непрерывно поступающих в биосферу органических загрязнений.

Поэтому интенсивное и рациональное использование человечеством падающей на Землю экологически чистой солнечной энергии является одним из перспективных магистральных путей получения необходимой энергии и топлива. Важное место принадлежит биологический методам конверсии, При фотосинтезе энергия Солнца конвертируется а энергию химических связей органических веществ, соединяемых общим термином "биомасса". Термин "биомасса" охватывает все виды веществ растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности человека и животных, органические отходы перерабатывающей промышленности и сельского хозяйства.

Скрытую химическую энергию можно с помощью ряда биологических или термо-химиических процессов превратить в удобные для использования виды топлива или энергии. [1-45].

Топливно-энергетический комплекс России играет важную роль в экономике страны. На ее территории сосредоточено 1/3 мировых запасов природного газа, 1/10 нефти, 1/5 угля и 14 % урана. [1–1]. Через семь лет (2020 г.) добыча нефти в России может откатиться к уровню 2004 года, прогнозируют эксперты «Российской Газеты». Если в 2012 году уровень добычи нефти составил 518 миллионов тонн, то через пять-семь лет этот показатель может сократиться до 420–450 миллионов тонн. И это намного ниже, чем официальный прогноз [1-46]. Современные проблемы энергетики могут быть решены только при рациональном использовании всех существующих на Земле и околоземном пространстве источников топлива и энергии [1-45].

Биоэнергетика – фундаментальное и прикладное направление возникло на границе современных биотехнологий, химической технологии и энергетики, изучает и разрабатывает пути биологической конверсии солнечной энергии в топливо и биомассу и биологическую и термохимическую трансформацию последней в топливо и энергию[1-45].

Внедрение в народное хозяйство достижений биоэнергетических технологий прежде всего зависит от решения задач, связанных с интенсификацией процессов конверсии органического сырья в топливо и крупномасштабным производством самой биомассы.

Только при серьезном фундаментальном исследовании можно создать высокоэффективную отрасль народного хозяйства, отвечавшую воем требованиям современного научно-технического прогресса [1-45].

Почти треть населения Земли (около 2 млрд. чел.) все еще использует биомассу в виде древесины как основной источник топлива.

В любой форме биомасса является возобновляемым, единственным доступным, простым и дешевым источником энергии для большинства сельских жителей планеты. В Эфиопии, Непале, Танзании, в Сибири и Амазонии, в Северной Канаде и на островах Полинезии, Микронезии, в Малайзии благодаря биомассе удовлетворяется 80–90 % потребностей в топливе. Даже в таких развитых странах, как США, Швеция, Норвегия, Канада, доля энергии, получаемой из биомассы, в общем объеме энергии составляет 4-10 %.

Благодаря незаурядному потенциалу, сжатым срокам окупаемости проектов, экологическим преимуществам биомасса, вероятно, является одним из приоритетных видов среди других возобновляемых источников энергии в большинстве стран. В конце XX в. общий объем мировых первичных энергоресурсов составил около 8,5 млрд. т., из которых примерно 7 млрд. т. приходится на долю ископаемого органического топлива. Совокупно, энергетический потенциал всей растительности нашей планеты составляет около 70 млрд. т., т. е. в 10 раз превышает использование ископаемого топлива. Доля древесины, которую используют для получения энергии, составляет: в Дании – 61 % от общего объема вывозимой из лесов древесины, во Франции – 56 %, Испании – 44 %, Швейцарии – 56 %. В среднем в Европе темпы ее использования растут на 7,3 % ежегодно (в Швеции – 10,2 % в год, в Дании – 9,2 %, Франции – 8,9 %, Испании – 7,7 %).

Таблица. 1–1

Мировые запасы и добыча нефти и газа. Прогноз потребления к 2009 и 2050 гг.

Таблица.1-2

Запасы нефти [1-47]

Сейчас биомасса покрывает в среднем 15 % общего потребления первичных энергоресурсов в мире: в развивающихся странах – 48 %, в промышленно развитых странах – в среднем 2–3% (США – 3,2 %; Дания – 6 %; Австрия – 12 %; Швеция – 18 %; Финляндия – 23 %).

По оценке экспертов ООН численность населения планеты к 2050 г. может увеличиться до 9.2 млрд. человек. Если к этому времени потребление моторных топлив и природного газа на душу населения всей планетой возрастет до современного уровня Европейского Союза, то в год придется добывать до 18.3 млрд. тонн нефти или 16 % от разведанных к настоящему времени запасов, а природного газа – до 12 трлн. куб. м или 6.7 % от разведанных запасов. То есть нефти хватит на 6-10 лет, газа на 15–20 лет. (Таблица 1)

Хотя как показали исследования автора, нефти и газа может быть в десятки раз больше, чем разведано. Причина этому: несовершенство технологий нефте– и газоразведки, большие глубины залегания, отсутствие соответствующего оборудования.[2]. Такого же мнения придерживается ряд российских экспертов.

В статье «Кризис изобилия» Алексей Михайлов – эксперт Центра экономических и политических исследований (ЭПИцентр), отмечает, что «… объем энергоносителей-углеводородов ограничен, рано или поздно, если его сжигать, то он кончится. Но это только кажущаяся очевидность.[1-48].

Во-первых, разведанных запасов углеводородов при нынешних объемах добычи хватит: нефти и газа – на 50 лет, угля – на 500. А за эти 50/500 лет будут разведаны новые запасы… Из этой кастрюли, которую природа готовила нам сотни миллионов лет, еще черпать и черпать. Впереди шельфы, глубинное бурение, сланцы…

Мы за один нефтяной век только пенку сверху сняли.

Во-вторых, как это ни парадоксально, но именно вопрос с энергией самый легко решаемый.

Энергия универсальна, ее добывать можно почти из всего и передавать на расстояние не очень сложно и дорого. А Земля – принципиально разомкнутая система, она получает колоссальное количество энергии от Солнца, а кое-что – и от Луны. И напрямую – в виде тепла и света, и опосредованно – в виде ветра, текущей воды, приливов и т. д. И люди столетиями использовали эту энергию (например, ветряные и водяные мельницы).

Полный отказ от ископаемых источников энергии (ИИЭ, сегодня они дают 85 % мирового энергопотребления) и переход на возобновляемые (ВИЭ) – это вопрос не какого-то отдаленного футуристического будущего. Есть расчеты, что уже к 2030 году можно перевести 100 % мировой энергетики с ископаемого топлива на ВИЭ – ветер, вода и солнце. 50 % мировой энергетики будут давать 4 млн. ветротурбин.

В 2009 году в США свыше 50 % новых энергетических мощностей было создано за счет возобновляемых источников. В 2009 году инвестиции в новые возобновляемые источники энергии в мире превысили $150 млрд. Переход на возобновляемые источники энергии – это совершенно практический вопрос, отработанный технологически и связанный сегодня только экономическими ограничениями.

Как только ИИЭ станут достаточно дороги – переход произойдет автоматически. Он уже идет, несмотря на то, что пока еще ВИЭ недостаточно рентабельны и очень капиталоемки.

Совершенно прав был министр нефтяной промышленности Саудовской Аравии Заки Ямани еще в 70-е годы сказавший: «Каменный век закончился не потому, что в мире кончились камни. Также и нефтяной век закончится не потому, что у нас кончится нефть». Энергетический голод Земле не грозит. [1-48].

За последние 20 лет уровень добычи нефти в Штатах снизился: так, в 1972 г. он составлял 528 млн. т, в 1995 г. – 368 млн. т, а в 2000 г. – только 350 млн. т, что является следствием возросшей конкуренции между американскими производителями и импортерами более дешевой зарубежной нефти.

Из потребляемых 23 млн. б/с (1040 млн. т/год) в США добывается только 8 млн. б/с, а остальная часть импортируется – 680 млн. т/год. При этом США по-прежнему занимают второе место в мире по объему добываемой нефти (после Саудовской Аравии). Доказанные запасы нефти США составляют около 4 млрд. тонн (3 % от мировых запасов).[1-49].

В декабре 2012 г. чистый импорт нефти в США сократился до 5,98 млн. барр. в сутки (270 млн. т/год) – это самое низкое значение с февраля 1992 года. Чистый импорт нефти в Китай в декабре вырос до 6,12 млн. бар в сутки (277 млн. т/год), согласно данным таможни Китая. В 2012 году Китай увеличил импорт нефти на 6,8 % – до 271 млн. тонн – по сравнению с предыдущим годом.

Сейчас Россия является третьим по величине поставщиком сырой нефти в КНР и уступает по этому показателю только Саудовской Аравии и Анголе. Стремительное развитие китайской экономики неизбежно ведет к увеличению спроса на энергоносители. К 2015 г., полагают эксперты, спрос Китая на нефть может возрасти до 540 млн. тонн в год.[1-50].

Биоэнергетика считается основной тенденцией развития топливного рынка. Ожидается, что она в ближайшие 30–40 лет станет доминирующей в развитии мировой системы энергообеспечения. В связи с приближающейся угрозой истощения мировых запасов углеводородов в качестве основной тенденции развития топливного рынка международным экспертным сообществом заявлена биоэнергетика, которая должна стать фундаментом для начала новой эры энергетики. В ближайшие 30–40 лет именно биоэнергетика станет доминирующей в развитии мировой системы энергообеспечения.

Таблица. 1-3

Мировые запасы и добыча нефти и газа. Прогноз потребления нефти Китаем, Индией и Индонезией к 2020 – 2040 г.г.

Таблица. 1-4

Десять стран – лидеры, импортирующие нефть (млрд. баррелей 2006 г.).

[1-51].

Таблица. 1-5

Десять стран – обладатели крупнейшими доказанными запасами нефти (млрд. баррелей, 2006 г.)

Во второй половине ХХ века мир столкнулся с новой для себя экологической проблемой, которая может принять угрожающие формы. Это выбросы CO₂ в атмосферу Земли. Они составляют до 8 млрд. т ежегодно, из них экосистемы Земли способны поглотить лишь половину. Остальное накапливается в атмосфере и последствия этого пока не ясны. Однако очевидно, что столь грубое вмешательство в сложившуюся экосистему, когда нарушается экологическое равновесие, не останется безнаказанным для человечества.

В 1997 году 105 государств подписали в г. Киото протокол, направленный на уменьшение выбросов в атмосферу избыточного углекислого газа, образующегося при сжигании нефти, угля, ископаемого газа, а также продуктов их переработки.

Моторные топлива при сгорании вносят существенный вклад в нарушение баланса углекислого газа в атмосфере. Использование в составе моторных топлив компонентов, произведенных из возобновляемого сырья [1–1] и в первую очередь оксигенатов [1-2– 1–4] позволяет уменьшить его вредное воздействие на окружающую среду.

В 2003 году Европейская комиссия предложила директиву [1–5], которая поощряет государства, являющиеся членами Европейского Союза (ЕС), широко применять биокомпоненты в моторном топливе. В 2010 году планировалось довести содержание биокомпонентов в моторном топливе, поступающем на рынок ЕС, до 6,75 %.

Существующий парк автомобилей и транспортных средств, в которых используются стандартные двигатели, не позволит в ближайшее время начать применять моторные топлива, полностью состоящие из биокомпонентов, т. е. очевидно, что вырастет роль смесевых моторных топлив, часть которых будет изготовлена из нефти, а часть из возобновляемого сырья.

Использование не нефтяного сырья не только расширяет ресурсы топлив, но часто позволяет улучшить их экологические характеристики.

В качестве биотоплив наиболее широкое распространение получили биоэтанол и биодизель. [1-52].

Современное мировое сообщество стоит перед необходимостью решения нескольких глобальных проблем с целью создания в ближайшие десятилетия для каждого члена общества независимо от места его обитания достойных комфортных условий жизни и трудовой деятельности.

Особое место среди этих проблем занимают:

Экология. Каждый житель планеты имеет право на максимально полную экологическую безопасность, то есть быть обеспеченным чистой атмосферой (без вредных химических и тепловых выбросов), чистой водой (без различных вредных стоков) и чистой землей для получения экологически чистого полноценного и естественного продовольствия.

Необходимо:

• сохранить баланс диоксида углерода в кругообороте углерода в биосфере без излишних выбросов СО₂ и других парниковых газов (Метана) в атмосферу для недопущения теплового перегрева Земли.

• создавать такие производственные технологии в промышленности и сельском хозяйстве, которые бы минимизировали количество сточных вод и других отходов, и, в идеале, вели бы к созданию безотходных технологий.

2. Энергетика. Решение задач, поставленных в п.1 потребует резкого увеличения производства энергии. По мнению академика Е. Велихова в ближайшие 2–3 десятилетия потребление и, соответственно, производство энергии возрастет на 60 % от его мирового производства и потребления в начале 21 века. Увеличение производства энергии должно проходить на фоне создания экологически чистых энерготехнологий, повышения к. п. д. используемых топлив, создания новых постоянно возобновляемых источников топлива и энергии, полного перевооружения промышленности и сельскохозяйственного производства на энергосберегающее оборудование, машины и технологии.

3. Агрохимия и сельскохозяйственное производство. Обеспечение мирового сообщества экологически чистым продовольствием в соответствии с принятыми научно обоснованными нормами потребует:

• повышения урожайности всех без исключения основных продовольственных культур;

• повышения плодородия почв;

• постепенного повышения экологической чистоты почв;

• максимального перехода на применение экологически чистых высокоэффективных органических удобрений при минимальном использовании сбалансированных по каждому региону и почвам минеральных удобрений.

4. Решение социальных проблем. Экологическая безопасность и более высокая энерговооруженность человека должна привести к решению сложнейших социальных проблем (как в странах постиндустриального общества, так и в развивающихся странах):

• улучшение условий быта и труда;

• снижение смертности и доведение детской смертности до минимума;

• снижение заболеваемости;

• повышение продолжительности физиологической и умственной активной жизни.

Решение всех вышеперечисленных проблем и задач, поставленных мировым сообществом, тесно связано с энергичным развитием одного из современных направлений глобальной энергетики – биоэнергетики.

Биоэнергетика – или использование фотосинтезированной биомассы и продуктов ее технической и физиологической переработки и потребления – сопровождала и сопровождает человека в течение всей его эволюции. Именно биомасса и, в частности, ее сжигание и получение тепла, первый и важный шаг в эволюция и развитии homo sapiens.

Многие виды биоэнергетики известны человеку давно: сжигание дров, производство биогаза, производство древесного дегтя и древесного угля, производство спирта (вина).

Задачи современной науки и техники:

• превратить эти древние виды биоэнергетики в более энергоэффективные и рентабельные;

• создавать новые биоэнергетические технологии;

• получить новые виды биосырья для получения топлива и энергии;

• создавать новые энерготехнологии, сочетающие рациональное использование традиционных видов топлива и энергии с применением различных типов биомассы для производства экологически чистых видов тепловой и электрической энергии.

При условии, если к 30-50-м годам настоящего столетия в России электроэнергия и часть тепловой энергии будут производится АЭС, ГЭС и ВИЭ (ветер, вода, солнце, биомасса, приливы и т. д.), то двигатели внутреннего сгорания (мобильные и стационарные) будут, по-прежнему, использовать моторные топлива, в значительной степени получаемые из ископаемых углеводородов (нефть и природный газ).

К середине века потребление нефти в России на душу населения может достигнуть уровня США и тогда дефицит по нефти для РФ может составить более 300 млн. т в год. Этот недостаток необходимо будет заполнить производством альтернативных видов моторных топлив.

Современный мировой транспорт потребляет около 29 % всех энергетических ресурсов. 97–99 % общего потребления энергоресурсов всеми видами транспорта обеспечивается нефтью, причём до 49–50 % от расходуемых нефтепродуктов идёт на производство моторных топлив.

Таблица. 1-6

Нужна ли альтернативная энергетика России? Что Россия будет продавать и сколько нужно добывать нефти в 2030–2050 г.?

До конца текущего столетия двигатели внутреннего сгорания (ДВС) сохранят ведущую роль в транспортной энергетике [4]. То обстоятельство, что разведанные мировые запасы нефти ограничены и неравномерно распределены по различным регионам планеты, создаёт предпосылки для разработки промышленных технологий получения моторных топлив из сырья не нефтяного происхождения. Получаемое из нетрадиционных видов сырья жидкое и газообразное топливо для мобильных установок называют альтернативным моторным топливом [1–5]. Исследования в области производства и применения альтернативного моторного топлива в последнее время активно развиваются в разных странах мира.

Одним из видов альтернативного моторного топлива является биотопливо. Его получают в результате переработки различных видов биомассы – от древесины до отходов агропромышленного комплекса – методами механической деструкции, термохимии и биотехнологий с использованием технологий каталитического синтеза.

Биотопливо подразделяют на жидкое (для ДВС, например, биоэтанол, биометанол, биобутанол, биодизель, биобензин, биокеросин, ДМЭ), твёрдое (дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга, древесный уголь) и газообразное (биогаз – биометан, биоводород, син-газ).

Под биомассой понимается материал биологического происхождения: фотосинтез, далее флора и фауна, а также разнообразные органические отходы технологического, зоотехнического и физиологического происхождения. Поэтому одна из важнейших задач России заменить моторные топлива (бензин, керосин, дизельное топливо) и топочный мазут нефтяного происхождения на углеводороды биологического происхождения.

Современная биоэнергетика становится объектом большой политики.

Вопрос развития биотопливной индустрии становится все более актуальным. Предлагается следующая классификация сырья для производства биотоплива:

1) по источникам происхождения: биотопливо из продуктов и отходов лесопромышленного комплекса, биотопливо из продуктов и отходов агропромышленного комплекса и биотопливо из биологических муниципальных отходов;

2) по физическим свойствам вещества: твердое биотопливо, жидкое биотопливо и газообразное биотопливо.

К твердым источникам биотоплива относятся:

– твердые продукты лесопромышленного комплекса (ЛПК): лес, отходы деревообработки, твердые продукты агропромышленного комплекса (АПК): солома, стебли, жмых, лузга, биологическая часть твердых бытовых отходов (ТБО).

К жидкому биотопливному сырью относятся:

• жидкие продукты ЛПК: черный щелок, метанол, пиролизное масло;

• жидкие продукты АПК: сырые растительные масла, масляный эфир (биодизель), метанол, пиролизное масло из твердого агротоплива;

• жидкая часть биологических муниципальных отходов (иловые осадки сточных вод, пиролизное масло из твердых бытовых отходов).

Важное место среди различных видов жидкого биотоплива занимает моторное биотопливо для транспорта.

Из вышеперечисленных видов биотоплив с биотехнологией сопрягается только производства: этанола, бутанола, частично биоводорода, биогаза, свалочного газа и растительных масел.

Биоэнергетика за прошедшие 20 лет превратилась в мощный самостоятельный сектор мировой энергетики. По масштабам производства и применения в некоторых развитых странах превосходит использование всех других видов возобновляемой и альтернативной энергетики.

С точки зрения динамики и объемов потребления основными сегментами мирового рынка альтернативной энергетики являются биотопливо, солнечная и ветряная энергетика

Вклад биоэнергетики в энергобаланс таких стран, как США, ЕС, БРИК (кроме России), растет постоянно.

Около 90 % производственных мощностей биотоплива приходится на США, Бразилию и ЕС.

К 2030 г. в зависимости от региона биотопливо может занять от 10 до 30 % совокупного потребления энергии.

В ЕС производство тепловой и электроэнергии из биомассы к 2020 году возрастёт на 850 ТВт-ч (10¹² Вт. ч) по сравнению с 2007 годом до 1 650 ТВт-ч. Данный рост составит около половины всего текущего потребления энергии из угля.

Мировым лидером по использованию твердой биомассы для получения тепла и электроэнергии являются США. В 2007 году в США 42 ТВт-ч электроэнергии производилось из твердой биомассы. На втором месте – Япония (16 ТВт-ч), на третьем – Германия (10 ТВт-ч).

По состоянию на конец 2009 года в США насчитывалось около 80 проектов по использованию твердой биомассы для производства электроэнергии общей установленной мощностью 8,5 ГВт.

К 2010 году в ЕС насчитывалось около 800 электростанций на твердой биомассе (дереве, чёрном щёлоке и т. п.) общей мощностью около 7 ГВт, большинство из которых расположено в богатых лесными ресурсами странах Скандинавии, а также в Германии и Австрии.

Около 4 % электроэнергии в ЕС производится из древесных отходов. В 2010 году спрос на пеллеты в ЕС составил 11 млн. тонн, около 15 % из которых было импортировано из США и Канады. В период с 2008 по 2010 гг. США увеличило экспорт пеллет в ЕС более чем в два раза. В конце 2006 года спрос на пеллеты в США составил 1,4 млн. тонн – около 2 % всей произведенной в США электроэнергии (рост более чем в два раза по сравнению с 2002 годом). Основными потребителям пеллет в США является частный сектор и малые тепло– и электростанции.

Общее производство жидкого биотоплива в мире возросло с 16 млрд. л в 2000 году до 100 млрд. л в 2010 году. Жидкое биотопливо составляют около 3 % всего топлива для транспорта, а также достигает существенной доли в некоторых странах, наиболее активно развивающих данный сектор. В Бразилии в 2008 году доля использования биотоплива в транспортной сфере составила около 21 %, в США – 4 %, в ЕС – 3 %.

По оценкам МЭА к 2050 году доля биотоплива транспортной сфере может увеличиться до 750 млн. т. н. э. (по сравнению с текущим уровнем в 55 млн. т. н. э.) и составить 27 % всего транспортного топлива, позволяя уменьшить объемы выбросов транспорта на 20 % и сократить мировую зависимость от ископаемых видов топлива. (тн. э. – тонн нефтяного эквивалента)

Международное энергетическое агентство (МЭА) оценивает мировое замещение этанолом более 1 млн. баррелей нефтяного спроса в день.

Из всего производимого в мире этанола 80 % имеет топливное применение, 12 % – техническое и 8 % – пищевое.

В 2009 году производство этанола в мире составило 76 млрд. литров (рост на 10 % по сравнению с 2008 г., на 400 % по сравнению с 2000 г.). В 2009 г. ведущие места по производству этанола заняли США, Бразилия и ЕС. При этом на долю США (40,1 млрд. литров -54 %) и Бразилии (24,9 млрд. литров – 34 %) пришлось около 88 % мирового производства этанола.

Второе место из моторных биотоплив занимает биодизель, получаемый из растительных масел и метанола.

ЕС остается основным (около 50 %) производителем биодизеля в мире.

В США масштабы производства биодизеля на фоне этанольного бума выглядят намного скромнее, но прорабатываются программы по наращиванию объемов производства американского биодизеля.

Производство биодизеля в США в 2009 году составило 2.2 млн. м³ и осуществлялось в основном из растительных масел.

Важное место в программах развития биотоплив за рубежом занимает производство биогаза.

Лидером по производству биогаза является ЕС. В настоящее время европейский рынок биогазовых установок оценивается в 2 млрд. долларов США, по прогнозам он должен вырасти до 25 млрд. к 2020 году. В Европе 75 % биогаза производится из отходов сельского хозяйства, 17 % – из органических отходов частных домохозяйств и предприятий, еще 8 % – из отходов сточных вод (установки в канализационноочистных сооружениях).

Первое место по количеству действующих биогазовых заводов принадлежит Германии – в 2010 году их насчитывается более 9 000. Только 7 % производимого данными предприятиями биогаза поступает в газопроводы, остальное – используется для собственных нужд производителя. В 2007 г. объем электроэнергии, производимой с помощью биогаза, составил около 2,9 ТВт-ч. В перспективе 10–20 % используемого в стране природного газа может быть заменено биогазом.

В 2000 году мировой рынок биотоплив оценивался в сумме 866 миллионов $ США. И к 2013 году – 2.14 млрд. $ США.

Прогнозируется, что в следующем десятилетии около 18 млрд. $ будет инвестировано в:

1. Крупномасштабное производство электрической и тепловой энергии из биомассы – 13.9 млрд. $ или 78 %;

2. Производство биогаза 1.3 млрд. $ (7 %) (создание крупных централизованных заводов мощностью не менее 10 тысяч тонн перерабатываемого сырья и производству не менее 0.15 МВт тепловой, электрической энергии и топлива для двигателей).

3. Производство «лендфилл-газа» (свалочного газа из ТБО) – 2.7 млрд. $ или 15 % для получения тепловой и электрической энергии.

Итого, на производство биогаза – 4 млрд. $ США или 22 %.

Синтез-газ (син-газ), смесь газов, главными компонентами которой являются монооксид углерода СО и водород Н», которую можно получать в процессе термической обработки биомассы с использованием различных технологий. В настоящее время известно о нескольких инициативах по реализации проектов в области производства синтез-газа в некоторых странах, например в США, Европе, Японии, Австралии и Индии.

Важным дополнением к солнечной энергии и к одному из ее производных – биоэнергетике в недалеком будущем могут стать МЕТАНГИДРАТЫ, обилие которых найдено в океане. [1-42]. Метангидрат сосредоточен на глубинах от 500 до 2000 метров у берегов некоторых континентов, как правило, на крутых подводных склонах. Есть они в Арктике.

Рис. 1–2. Кусок метангидрата выглядит как грязноватый лёд

Рис. 1–3. Строение конгломерата – „ящичной“ псевдомолекулы, состоящей из кристаллической решётки льда и молекулы метана, находящейся в полости этой решётки

Метановый лед относится к так называемым „ящичным“ соединениям. В них не возникает химических связей между молекулами метана и молекулами воды. Метан размещается в пустотах кристаллической решётки водяного льда. Единичный конгломерат из воды и газа составляют 32 молекулы воды и 8 молекул метана. В одном кубическом метре этого вещества содержится значительно больше энергии, чем в кубометре природного газа (при одинаковом давлении). В ледовых пустотах одного кубометра метангидрата „запрятано“ 164 кубометра газа. Молекулы льда, а значит, и метана уложены здесь более плотно. [1-42].

Метангидрат образуется под давлением на глубине в порах донных осадков из органических веществ иловых осаждений, где они подвергаются анаэробному бактериальному разложению с образованием метана.[1-42]. По приблизительным оценкам, на планете хранится от 10 000 до 15 000 гигатонн углерода в виде метангидрата (гига равна 1 миллиарду).

Огромная масса запрятанного на глубине метана перекрывает по запасам все известные на Земле природные источники энергии. Вопрос только в том, как воспользоваться этим богатством?

Сегодня ещё нет отлаженной промышленной технологии добычи нового топлива.[1-42]. Соединённые Штаты, согласно перспективным расчётам, к 2020 году должны на 30 процентов увеличить потребление энергии. Готовы они использовать и метангидрат: конгресс страны отпустил 42 миллиона долларов на разработку программы включения нового топлива в энергетический баланс страны

Намечено, что к 2015 году начнётся эксплуатация прибрежных хранилищ Метангидрат.[1-42]. Особенно заинтересована в освоении добычи метангидрата Япония. Эта страна стремится освоить коммерческую, промышленную добычу. [1-42]. Бурение в Сибири и на Аляске показало концентрацию газа в порах льда от 50 до 80 процентов. Морские залежи крупнее, но там заполняемость газом равна примерно 20 процентам.

1. Метангидрат 10000

2. Уголь, нефть, газ 3500

3. Растительный мир 1400

4. Вода 980

5. Животный мир 830

6. Торф 500

7. Прочие63

Рис. 1–4. Содержание органического углерода (в миллиардах тонн) в запасах метангидрата и в традиционных резервах топлива

В России, в Сибири, есть месторождение Мессоякское – газовое поле, расположенное в вечной мерзлоте, – единственное место в мире, где обычный природный газ получают из метангидрата. Это довольно мощное месторождение, работающее уже много лет. От него проложен трубопровод до Норильска – крупного потребителя энергии. [1-42]. В отличие от вечной мерзлоты океанские запасы, как уже говорилось, состоят из двух частей: метанового льда, слой которого может превышать несколько сотен метров, и удерживаемого этим слоем газового пузыря.[1-42].

1.2. Биотопливо третьего поколения

Важным направлением в современной мировой биоэнергетике является широкомасштабное культивирование пресноводных и морских микроводорослей как продуцентов углеводородов, так и для производства дешевой биомассы.

Выращивание зеленых водорослей в современных модернизированных системах биореакторов имеют существенные практические и экономические преимущества для производства биотоплива по сравнению с традиционными культурными растениями [1-43].

Фотосинтез играет абсолютно центральную роль во всех биотопливных производственных процессах, так как это первый шаг в преобразовании солнечной энергии (света) в химическую энергию и, следовательно, в конечном счете, отвечает за управление производством их запасов необходимых для синтеза топлива: протоны и электроны (для био-Н2), сахаров и крахмала (на биоэтаноле), масла (для биодизеля) и биомассы (для BTL и биометан). Следовательно, любое увеличение продуктивности фотосинтеза будет способствовать повышению конкурентоспособности производства биотоплива в целом.

Экономическая эффективность производства биотоплив при конверсии солнечной энергии посредством фотосинтеза определяется эффективностью фотосинтеза. Наибольшей эффективностью фотосинтеза обладает сахарный тростник, использующийся для получния биоэтанола в Бразилии, и кукуруза, использующаяся в США для производства биоэтанола. Эти технологии могут быть экономически выгодными при стоимости нефти выше 40 долларов США за баррель, тогда как стоимость барреля биодизельного топлива составляет 80 долларов США. Таким образом, даже при незначительном повышении фотосинтетической эффективности ожидается значительное увеличение экономической конкурентоспособности производства биотоплив. В этом плане водорослb имеют различные преимущества по сравнению с классическими сельскохозяйственными культурами для производства биотоплива и могут быть сканированы для выделения видов с высокой фотосинтетической эффективностью.

Культивирование водорослей, не требующее использования пахотных земель и лесной древесины, открывает новые экономические возможности для производства биотоплив в засушливых регионах.

В отличие от обычных сельскохозяйственных культур, которые дают один или два урожая в год, микроводоросли имеют короткий жизненный цикл (~ 1-10 дней), что позволяет с одной и той же площади снимать несколько урожаев и даже создать непрерывный процесс.

Производство водорослей позволит значительно снизить использование воды по сравнению с культивированием обычных сельскохозяйственных культур.

В плане водоиспользования большой интерес представляют высокоурожайные морские микроводоросли, использующие морскую соленую воду и с их помощью получать водород и кислород из морской воды и использовать водород для топливных элементов с получением электроэнергии.

Биомасса водорослей может быть использована для биогазификации с получением метана (в начале 80-х годов лаборатория ВИЭ МГУ им. М.В. Ломоносова и Институтом биохимии им. А.Н. Баха АН СССР была разработана такая технология) и диоксида углерода, которые могут быть использованы для каталитического производства жидких углеводородов (биобензина, биокеросина и биодизельного топлива).

Широкие перспективы для создания высокоэффективных водорослей открывает современная генетика.[1-44].

НУЖНА ЛИ ПРОМЫШЛЕННАЯ БИОЭНЕРГЕТИКА РОССИИ, ЗАНИМАЮЩЕЙ ВЕДУЩЕЕ МЕСТО В МИРЕ ПО ЗАПАСАМ И ДОБЫЧЕ ИСКОПАЕМЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ?

В 2010 г. в России насчитывалось 33,8 млн. легковых автомобилей. Ежегодный прирост составляет 1.4 млн. шт. К 2030 г. прирост может составить 25.2 млн. шт., т. е. всего 59 млн. шт.; на 1000 чел. – 421 шт., что в 2 раза меньше, чем в США.[6]. Оптимистичный вариант совпадает с оценкой российских экспертов: 425 шт./1000 жителей [1–7].

По меркам США относительно общей численности населения в России должно быть 115.9 млн шт. легковых автомобилей.

Нижеприведенный список отражает уровень автомобилизации населения ряда стран мира, то есть показывает количество индивидуальных автомобилей в стране, приходящихся на 1000 человек. [1–8]. США – 829; 2. Испания – 608; 3. Финляндия – 591; 4. Франция – 575; 5. Литва – 541; 6. Германия – 534; 7. Великобритания – 525; РОССИЯ -249.

Средний пробег российского автомобиля – 16 700 км в год [1–9]. Средний годовой расход топлива на автомобиль 1670 л или 1252.5 к г.

В 2030 г расход топлива на прогнозируемое количество авто составит 145 млн. т или нефти понадобиться более 500 млн. т/год при 70 % выходе моторных топлив(бензина, керосина и ДТ) при крекинге нефти.

Натуральный объем продаж дизельного топлива в России в 20062010 гг вырос на 4,2 млн т, достигнув 31,6 млн т [1-10,]. Производство дизельного топлива в России в 2012 г. составило 79 млн. т. [1-11].

Прогноз максимального потребления общей суммы моторных топлив в 2017 г оценивается в 102.7 млн. т [1-12].

Добыча нефти в России по оценке Минэнерго в России в 2012 году достигнет рекордных 516–518 млн. тонн.[1-13].

Прогноз добычи нефти в России до 2030 года по макрорегионам, 600,0 млн. тонн [1-14].

Производство авиационного керосина в России составляет около 9 млн. тонн в год [1-15].

США останутся крупнейшим рынком для гражданской авиации (710 млн пассажиров на местных рейсах и 223 млн. – на международных). [1-17].

По итогам 2011 года количество пассажиров, воспользовавшихся услугами авиатранспортной системы РФ, составило около 110 млн.[1-18]. В США летает в 3 раза больше, чем все население, т. е. в Росси к 2030 г. может летать 420 млн. человек и расход керосина составит 25.7 млн. т/год (без учета ВВС) при протяжённости полета одного авиапассажира на внутренних авиалиниях 3200 км.[1-19]. Эффективность использования энергии является своего рода индикатором научнотехнического и экономического потенциала общества, позволяющим оценивать уровень его развития. Сопоставление показателей энергоэффективности экономики России с развитыми странами показывает, что удельная энергоёмкость нашего валового внутреннего продукта (ВВП) в несколько раз выше, чем в развитых странах. Уровень потребления электроэнергии в расчете на единицу сопоставимого ВВП в России выше, чем в США, в 2,5 раза, Германии и Японии в 3,6 раза. Это свидетельствует о значительных резервах экономии энергоресурсов в России, масштабы которых можно оценить ориентировочно в 40–50 % от уровня потребляемых топлива и электроэнергии. Энергоемкость ВВП превышает уровень, достигнутый в развитых странах Запада, в 3,5 раза, но это превышение неравномерно по отраслям. В сравнении с северными странами энергоемкость в российских добывающих отраслях, лесной, целлюлозно-бумажной, пищевой промышленности почти такая же, в обрабатывающих отраслях превышение до 2 раз, в производстве стройматериалов до 3–4 раз, в теплоснабжении и теплопотреблении в пересчете на 1 м² отапливаемой площади в 4 раза. С учетом объемов теплопотребления станoвится ясно, что теплоснабжение определяет энергорасточительность экономики страны.

По данным Министерства энергетики, можно оценить затраты топлива на теплоснабжение в 450–470 млн т у.т./год (3 т у.т. на чел./год). Это половина потребления топлива в стране, т. е. столько же, сколько тратится на все остальные отрасли промышленности, транспорт и т. д. вместе взятые. Потребление топлива теплоснабжением равняется всему [1-20]. Снижение всего на 20 % потребления только газа, составляющего в топливном балансе почти 60 %, позволит сократить затраты на топливо на 1 млрд долл. США и увеличить экспортный потенциал страны на 5 млрд долл. США ежегодно. Причем увеличение топливному экспорту страны. т. е., 320 млн. т/год жидких углеводородов. экспортного потенциала не потребует разработки новых месторождений и реконструкции газопроводов от мест добычи в центр страны (2–3 тыс. км).

Удельные затраты на теплоснабжение сильно различаются по стране и составляют от 1 до 15 долл. США на 1 м²/год. Население платит около 6 млрд долл. США в год, т. е. 40 долл. США чел./год или 5 % от своих суммарных доходов.

Объем выработки тепловой энергии в России по сравнению с 1970 г. увеличился в 1,56 раза (с 1345 млн. Гкал/год до 2100 млн. Гкал/год), а количество потребленного топлива в 1,5 раза – с 280 до 420 млн. т у.т. (без учета расхода топлива на потребляемую электроэнергию), т. е. уровень энергоэффективности источников тепла практически не изменился несмотря на двукратное увеличение удельного потребления газа, значительное уменьшение доли печного и т. п. отопления.

Удельный расход топлива на выработку тепла в среднем по стране составляет 200 кг у.т./Гкал. Вполне реально уменьшение удельного расхода до 150 кг у.т./Гкал, что эквивалентно уменьшению потребления топлива на 25 % т. е. на 105 млн. т у.т., за счет повышения КПД котлов и увеличения доли комбинированной выработки тепла и электроэнергии.

Суммарные тепловые потери в сетях составляют около 450 млн. Гкал/год. (450 млн. х млн. ккал/год) или 47.4 млн. т/год топочного мазута (ТМ) марки М100. Потенциал экономии за счет прогрессивных способов теплоизоляции, оперативного устранения утечек, уменьшения диаметров трубопроводов, частичной децентрализации теплоснабжения концевых потребителей составляет около 300 млн. Гкал/год. Или 31.6 млн. т ТМ.

Объем теплопотребления по стране составляет около 1650 млн. Гкал/год. = 173.8 млн. т ТМ. Половина тепла расходуется на теплоснабжение жилых зданий, в том числе на отопление около 600 млн. Гкал.= 63.2 млн. т ТМ. При общей площади жилого фонда 2,8 млрд. м² [3] удельный расход тепла на отопление составляет 0,22 Гкал/м² год [121]. В 2013 году – производство тепловой энергии в России составило 618,4 млн. Гкал (65.1 млн. т ТМ) – прогноз ФСТ[1-22]. Потребление электроэнергии в 2013 году в России прогнозировалось на уровне 1064,6 млрд. кВт ч, что на 4,1 % больше показателя 2011 года и на 2,1 % превышает ожидаемое потребление в 2012 году.

Объемы потребления электроэнергии населением прогнозировалось на уровне 146,4 млрд. кВт ч, что на 1 % больше плана 2012 года.[1-23].

Предполагается, что доминирующим энергоносителем первой половины ХХI века будет природный газ. Его использование в качестве основного топлива обеспечит высокую энергетическую и экономическую эффективность производства.

Рис. 1–5. Структура производства электроэнергии в России. [1-24].

Удельный расход топлива на выработку тепла в среднем по стране к 2030 г. может составить 150 кг у.т.

В 2030 г. Россия должна будет затратить на теплоснабжение населения по меркам Москвы 97.7 млн. т у.т. или 97700 млн. кг у.т., что эквивалентно 71989.5 млн. кг топочного мазута, что потребует переработать 145.7 млн. т нефти. Для замены этого количества топочного мазута потребуется в год 600 млн. м³ дров стоимостью 600 млрд. руб.[1-25].

Потребление электроэнергии на жителя г. Москвы составляет 1400 кВт час/год, для России – 1100 кВт час/год, для США -3500 кВт час /год.[1-27]. К 2030 г. Для всех жителей России потребление электроэнергии может составить по меркам г. Москвы – 200480 млн. кВт час/год или 200.5 млрд. кВт час/год, по меркам США – 500 млрд. кВт час/год или 47 % от производства электроэнергии в 2012 г.[1-28].

Рис. 1–6. Зоны централизованного и распределенного теплоснабжения РФ.[1-26]

Структура производства электроэнергии на электростанциях России в 2000 году: ТЭС – 67 %; 582,4 ГВт. ч;; АЭС – 15 %; 128,9 ГВт. ч. ГЭС – 19 %; 164,4 ГВт.ч

К 2020 г. прогнозируетя производить 1620 млрд. кВт час /год электроэнергии, на ТЭС придется до 1069 млрд. кВт час/год. На ТЭС придется 66 %, АЭС – 20.7 %, ГЭС – 13.3 %.

Объем производства электроэнергии на ТЭС европейской части страны – 80 % от суммы всех ТЭС России. В 2001 г. ТЭС европейского региона потребили 150 млрд. куб. м природного газа или 95 % от общего объема потребления всей страны.[1-29]. Для производства электроэнергии в 2020 г. потребуется 185–190 млрд. куб. м газа в год. 95 % придется на европейскую часть страны.

186 млрд. м³ газа дадут 610 млрд. кВт ч/год электроэнергии или 57 %, на уголь и мазут – 43 % или 163.8 млн. ту.т., или 15.5 млн. т топочного мазута и 144.5 млн. ту.т. угля.

Соотношение затрат топлива на производство электроэнергии и тепловой энергии на ТЭС равно 2.9 на примере Абаканской ТЭЦ [1-30].

Когенерация – комбинированный процесс одновременного производства тепла и электроэнергии [1-31].

Когенераторная установка вырабатывает электроэнергию и тепловую энергию в соотношении 1:1,5.

Если к 2050 г. ВВП России на душу населения выйдет на современный уровень ВВР США, то российский ВВП должен будет составить 6.54 трлн. Долл. в год, а производство электроэнергии 1770 млрд. кВт ч/год, т. е. дельта по отношению к выработке электроэнергии в 2010 г. составит 770 млрд. кВт ч/год.

Таблица. 1-7

Внутренний валовый продукт и производство электроэнергии в США и России

По постановлению Правительства РФ (январь 2009 г.) к 2020 г. производство электроэнергии должно вырасти до 1700 млрд. кВт ч/год. Вклад ВИЭ должен составить 4.5 %.

Если взять производство электроэнергии по данным США – 1770 млрд. кВт ч/год, то вклад ВИЭ должен составить 79.7 млрд. кВт ч/год.

По данным 2009 г. производство электроэнергии из отходов АПК (отходы КРС, Свиноводства– крупных хозяйств и птицефабрик) может составить 82.43 млрд. кВт ч/год, то есть перекрывает прогноз Энергетической стратегии России к 2020 г по получению электроэнергии из ВИЭ.

Производство биоэтанол в США – это военно-стратегическая и политическая цель США.

Широкое развитие масштабного производства автобиоэтанола из кукурузы в США имеет военно-стратегическое значение на случай возникновения непредвиденных обстоятельств: войны, терактов, крупных природных катаклизмов, и т. д. 207 спиртовых заводов с общей производительностью 48.3 млн. т/год этаола. Производство бензина 1.17 млрд. т/год. Газохол – 3.7 %.

Евросоюз и США всерьез взяли курс на развитие альтернативных источников энергии. ЕС объявил о необходимости увеличения финансирования 10-летней программы развития альтернативной энергетики на 50 млрд. евро. Ожидается, что к 2020 году в развитых странах 20 % всей потребляемой энергии будет вырабатываться без сжигания нефти и газа. Все это нанесет мощный удар по России, которая пока по-прежнему делает ставку на экспорт углеводородов.

На сегодняшний день биотопливо является самым распространенным видом альтернативной энергии в США. На его долю приходится примерно 53 % выработки альтернативной энергии. Далее следует гидроэнергетика – 36 %; на геотермальные источники и энергию ветра приходится по 5 %, на солнечную энергию всего 2 %.[1-32].

МИРОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РЫНОК (2007–2030 годы)

2007 год

Нефть – 36.5%

Газ – 23.5%

Уголь – 27.7%

АЭС – 5%

ВИЭ (с ГЭС) 6.3%

2030 год

Нефть – 23.5%

Газ – 20%

Уголь – 25%

АЭС – 10%

ВИЭ (с ГЭС) -21.5%

К 2030 г. Потребление ВИЭ с ГЭС в мировой энергетике возрастет с 6.3 % до 21.5 %, АЭС с 5 % до 10 %, а потребление ископаемых энергоносителей снизится: нефти на 13 %. Газа– на 3.5 %, угля – на 2.7 %.

Расход тепловой энергии в России на обогрев зданий в 4–5 раз выше, чем в Финляндии и Норвегии (наиболее близкие по климатическим условиям).

КРЕКИНГ НЕФТИ:

Бензин – 20%

Керосин – 9.5%

ДТ – 19%

Мазут топочный 49.4 % [1-33].

«… "сырьевая игла", на которой уже давно "сидит" российская экономика, немного проржавела», Россия «достигла пределов развития и в ближайшие годы нефтяная промышленность начнет идти вниз. При этом компании будут тратить колоссальные деньги даже на то, чтобы хоть как-то поддержать ее на прежнем уровне.

По их оценке в 2013 г., падение будет находиться в пределах статистической погрешности – "процент-два". Затем в течение 3–5 лет динамика добычи нефти в России будет находиться на некоем плато.

После этого возможно ускорение темпов падения добычи "черного золота" в России – до 5–7% в год. Даже несмотря на колоссальные затраты [1-34,1-35].

Таблица.1-8

Прогнозные данные по добычи необходимого количества нефти для производства основных моторных топлив (бензин, керосин, дизельное топливо) в 2030 г. для России

МТ – моторные топлива

Ранее указывалось, что дефицит может составить 300 млн. тонн нефти в год. При переходе на современные технологии крекинга он может уменьшится до 180 млн. тонн нефти в год.

Кроме возможного дефицита добычи нефти на изменение сырьевой структуры моторных топлив в России могут оказать значительное влияние стоимости добычи нефти.

Но значения этих величин в зависимости от стран добычи нефти по разным источника отличаются.

По данным одного из российских экспертов – А. Хайтуна в 2009 г. себестоимость добычи нефти на Ближнем Востоке и в Ливии составляет 2–6 $ за баррель при глубине залегания до 2 км. Нефть расположена вблизи океанских портов, что резко сокращает транспортные издержки.

В России себестоимость добычи нефти оценивается в 6-14 $ за баррель без полного учета затрат на создание и поддержание инфраструктуры, при крайне низкой заработной плате… Себестоимость нефти с новых месторождений ввиду увеличения глубины залегания пластов достигнет 22–24 $, даже если не полностью учитывать удорожание инфраструктуры.

Стоимость транспортировки российской нефти в несколько раз выше транспортировки ближневосточной: средняя дальность доставки по нефтепроводам превышает 3000 км (Ливия – 600 км, Норвегия -1000 км); часть поставок производится на морских судах и железнодорожном транспорте, тогда как основную массу мировых поставок нефти из Ближнего Востока осуществляют океанские суда (в десятки раз дешевле железнодорожного транспорта). [36]. В настоящее время Россия обеспечивает 26 % потребления и 66 % импорта природного газа в страны ЕЭС. Среднее транспортное плечо для газа по России – 2200 км, а при экспорте (если учесть страны СНГ) – порядка 3700 км. Себестоимость российского газа на скважине 4 долл. США за 1000 кубометров.

Это последний относительно «дешевый» газ: себестоимость газа со Штокмановского месторождения по расчетам поднимется до 5,7–6,0 долл. США за 1000 м. Средняя цена транспортировки из России может вырасти вдвое. Экспорт газа из Западной Сибири, уже сейчас идет до середины Франции. Далее, к западу континента, экспорт российского газа нерентабелен. [1-36].

Сильным конкурентом выступают новые газовые месторождения Прикаспия, Ливии и Алжира, а также Центральной Африки, транспортные плечи которых существенно короче, а условия добычи, как минимум, не хуже. Вместе с тем, имеется уверенность в масштабном экспорте на Европейский рынок больших количеств российского природного газа.

Итак, значительная часть разведанных ресурсов России, а тем более перспективных, неконкурентны на мировом и, особенно, европейском рынках. [1-36].

Другой эксперт Евгения Корытина в статье «Нефть за 3 доллара», опубликованной в 2011 г.[1-37] писала, что «… легкая нефть, дешевая рабочая сила и электроэнергия позволяют российским компаниям сохранять низкий уровень себестоимости добычи по сравнению с иностранными конкурентами. Так, «Роснефть» на баррель нефти тратит

2,6 долл., в то время как ExxonMobil «бочка» обходится в пять раз дороже – 10,3 долл. Самые низкие затраты на баррель добычи в 2009 году продемонстрировала «Роснефть» – 2,6 долл., самые высокие издержки были у «Башнефти» – 7,3 долл. за баррель.

Себестоимость добычи у российских компаний самая низкая в мировой нефтяной отрасли (табл. 1–9).

Таблица. 1-9

Стоимость добычи нефти в 2009 году (долл. за баррель) [1-37]

Однако, по другим источникам стоимость добычи барреля нефти в Саудовской Аравии в 2008 г. составляла 2 долл. США [1-38], тогда, как в российской нефтяной компании Роснефть себестоимость добычи одного барреля нефти составляла в среднем 14,57 долларов. [139]. В 2002 г. по данным Эрвин Скорецкого [1-40] соотношение стоимости добычи нефти по странам было следующим: США (суша) 14–27, США (шельф) 10 – 18, Норвегия 12 – 17, Мексика 7 – 12, Южн. Америка 7 – 10, Аляска 5 – 7, Кувейт 1 – 2, Ирак 0.5 – 0.7, Сауд. Аравия 0.4 – 1, Россия 5 – 10.

По мнению А. Хайтуна российский сырьевой рынок ждут трудные времена. [1-36]. «Значимость экспорта нефти и особенно газа для экономики страны не подлежит сомнению». В политическом аспекте экспорт природного газа и нефти – главный инструмент, позволяющий стране участвовать в определении стратегии развития современной Европы. Сегодня перспектива развития нефтяной отрасли на период до 2015 года в России базируется на старых освоенных районах, где доля трудно извлекаемых запасов составляет уже около 60 %. Возобновление ископаемых углеводородных энергоресурсов в нашей стране в XXI веке может происходить только за счет освоения минерально-сырьевых ресурсов Сибири, Дальнего Востока, шельфов арктических морей. Это очень дорогостоящие проекты, требующие не одного десятка миллиардов долларов. Естественными условиями долгосрочных капиталовложений становятся гарантии окупаемости вложений и обеспечения приемлемой рентабельности проектов.».[1-36].

Россия в исторической перспективе диктовать на Европейском рынке энергоресурсов не может. Условия добычи и стоимость транспорта нефти на рынки Европы из Саудовской Аравии и из Тюмени, а в дальнейшем – арктических шельфов, также не в нашу пользу. Неконкурентоспособность продукции северных регионов уже давно предопределена недальновидной стратегией развития Севера России. Были созданы ненужные в столь суровых районах города, размещена избыточная промышленность.[1-36].

Россия неконкурентоспособна на мировом и европейском рынках энергоресурсов по определению, в силу своих географических и природно-климатических условий.

Однако именно в этих районах находится 60–95 % важнейших ресурсов России: энергоносителей, редких металлов, золота, леса. Особенно неблагоприятны условия добычи энергоносителей, которые не относятся к продукции с высокой удельной стоимостью, как, например, золото. Кроме того, внутриматериковое расположение месторождений энергоресурсов, отдаленное на тысячи километров от районов потребления, обусловливает неизбежность транспортировки нефти и газа почти целиком по суше (трубопроводами). [1-36].

Экспортные нефтепроводные мощности увеличатся со 125 млн тонн в 2000 году до 400 млн тонн в 2020-м, экспортные газопроводные – со 185 до 382 млрд. кубометров. Все эти трубы, чтобы окупить их строительство, надо будет чем-то заполнять. Чем?

Ответ дан в докладе об Энергетической стратегии страны до 2030 года, подготовленной Министерством энергетики. Предполагается, что добыча газа в России едва ли не удвоится, достигнув 1 трлн кубометров в год при экспортных поставках в 350–370 млрд кубометров. Добыча нефти в благословенном 2030-м должна превысить 530 млн т, а экспорт – 330 млн тонн.[1-41].

Ведь эти рекордные объемы углеводородов надо, во-первых, добыть и, во-вторых, продать.

Три четверти всех разведанных запасов газа сосредоточены в 21 крупном месторождении. Большинство из них уже вовлечены в разработку не менее 15 лет. Четыре крупнейших (Уренгойское, Ямбургское, Медвежье и Вынгапурское) дают до 80 % всей добычи. И уже вступили в фазу падения добычи. Для резкого роста ныне сторнирующей газодобычи нужны вовлечение в оборот глубинных газосодержащих слоев на этих месторождениях (так называемых ачимовских пластов) и ввод в строй новых месторождений. Последние есть только на Ямале и на шельфе северных морей (например, Штокмановское). Потребуются колоссальные силы и средства на их освоение. [1-41].

Кроме того, не назовешь безоблачной и перспективу продаж газа на экспорт. По данным International Energy Agency, роль российских поставок на рынок ЕС неуклонно снижается. Давление со стороны сланцевого газа может привести к снижению физических поставок, как это уже было в 2009 году. [1-41].

Но не все так мрачно. Выход есть!

Необходимо интенсивно развивать более глубокую переработку нефти и природного газа, развивать нефтехимию и газохимию, активно развивать новые технологии переработки древесины и другой биомассы (водорослей) в разнообразные углеводородные продукты.

Генеральный директор ОАО «ВНИПИНЕФТЬ» Владимир Капустин пишет, что «… наука в сфере переработки и нефтехимии ещё сохранилась в нашей стране, да и уровень не хуже, а то и выше мирового. Например, Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН, возглавляемый академиком Саламбеком Хаджиевым, Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, возглавляемый академиком Валентином Пармоном, выполняют современнейшие высокотехнологичные разработки в области нефтехимии и нефтепереработки. Однако то, что сегодня есть у них, – это на уровне пилотных полупромышленных установок. В промышленность же их не пускают по разным причинам – из меркантильности, из желания купить западные технологии». [1-41].

Таким образом, в ближайшие десятилетия могут возникнуть две важнейших причины, которые могу оказать существенное влияние на изменение сырьевой структуры для производства моторных топлив, электроэнергии и тепловой энергии в России: 1) дефицит добычи нефти и 2) повышение ее стоимости.

И поскольку основным потребителем российского рынка углеводородов будут моторные топлива, то замену нефтепродуктов-моторных топлив надо искать среди возобновляемых источников энергии. И первым претендентом на это место является биоэнергетика: биоэтанол, биобутанол, биометан-биогаз, биоводород, син-газ, биобензин, биокеросин и биодизель.

Потенциальные объемы производства биотоплив из биомассы в России в ближайшие десятилетия могут составить более 800 млн. ту.т./год, и не будут уступать объемам ежегодной добычи нефти, угля или природного газа, (без учета биотехнологического восстановления дебита нефти на старых промыслах) (Годовой энергобаланс России – более 1600 млн. ту.т.).

Шесть китов» современной сырьевой базы для потенциального производства биотоплив в России:

1. ОРГАНИЧЕСКИЕ ОТХОДЫ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА.(80 млн. т у.т./год к 2020 г. – 154 млн. ту.т.),

2. ОТХОДЫ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА И ДЕРЕВООБРАБОТКИ. (20 млрд. ту.т. – всего; ежегодно можно производить до 820 млн. ту.т. – интенсивная технология),

3. ТОРФ (Всего -60 млрд. ту.т. 10.7 млрд. ту.т. промышленный фонд, 100 млн. ту.т./год),

4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПЛАНТАЦИИ (минимум 270.9 млн. ту.т./год, 19.5 млн. га – 20 %, биогаз – 228.5 млн. ту.т., этанол – 41.9 млн. ту.т.),

5. БИОГАЗИФИКАЦИЯ ОСТАТОЧНОЙ НЕФТИ (21.5 млрд. тонн извлекаемой нефти с 1965 г.– 43 года),

6. ДОБЫЧА МЕТАНГИДРАТОВ (общие запасы – 10 трлн. тонн или 1 блрд. куб. м).

Более того, Россия в ближайшем будущем может поставлять 510 % мирового рынка биотоплив (т.з. западных экспертов). Потенциальные возможности России в плане широкомасштабного производства биотоплив огромны, но в настоящее время ее отставание от ведущих стран достаточно велико.

Важная роль в решении указанных проблем на современном этапе развития мировой экономики также отводится производству и использованию биотоплив.

Может ли фотосинтез на территории России обеспечить достаточный вклад биомассы в энергетику страны без ущерба природопользованию? МОЖЕТ!!!

По данным американских экспертов (конец 80-х годов ХХ столетия) для США вклад биомассы в энергетику страны не должен превышать 15 % от общего энергобаланса.

Если оценивать потенциальные возможности современной России по вкладу растительной биомассы в энергетику, то эта цифра составит 255 млн. ту.т., или 1 млрд. куб. м общей древесины в год. Отходы – 222 млн. ту.т.

То есть ежегодно нужно будет вырубать 1/80 лесного массива России, или на восстановление допускается 80 лет.

Совместно с потенциальными возможностями АПК (только отходы) общий объем биотоплива к 2020 г. может составить 376 млн. ту.т

Швеция_при площади лесов 226 тысяч кв. км ежегодно заготавливает 80 млн. куб. м стволовой древесины.

Если это соотношение экстраполировать на площадь лесов России, то ежегодная заготовка стволовой древесины может составлять 2.96 млрд. куб. м, или 1.48 млрд. тонн, что по энергосодержанию равно 740 млн. т у. т./год.

Энергосодержание отходов лесосеки и деревообработки может составить 670 млн. ту.т.

Итого: 824 млн. ту.т.(с АПК)

Таблица.1-10

Виды российских биотоплив, тип сырья, внутреннее потребление и экспорт

Сырьевые возможности российской биоэнергетики не уступают ископаемым углеводородам: нефти, газу и углю.

Это энергетическая и продовольственная безопасность России.

Совершенно очевидно, что проблемами российской биоэнергетики должно активно заниматься государство, разработав соответствующую государственную программу с правовым ее обеспечением.

1.3 История развития промышленной биоэнергетики в России

Известный русский микробиолог, член-корр. АН СССР С.И. Кузнецов и созданная им научная школа в 60-х – 70-х годах ХХ столетия экспериментально обосновали, что процессы деструкции органических веществ до метана имеют широкое распространение в осадочных отложениях в настоящее время и что промышленные месторождения природного газа – продукт биологических процессов, протекавших ранее. [45].

Промышленный эксперимент, проведенный С. И. Кузнецовым на нефтепромыслах Поволжья в 1956 г. по использованию биогазовых технологий для увеличения дебита оставшейся в залежах нефти объединил биологию и большую энергетику, и, фактически, был «предтечей» создания Отечественной (но возможно и мировой) биоэнергетики. Становление отечественной Промышленной Биоэнергетики в СССР было связано с крупномасштабным применением биогазовых технологий для решения ряда народнохозяйственных задач: эффективной переработки осадков сточных вод больших городов-миллионников, таких, как г. Москва, и промышленного производства кормового препарата витамина В-12 с целью повышения эффективности откорма и продуктивности отечественного животноводства и птицеводства.

Теория биологического происхождения природного газа и современные научные и технические достижения еще в 1964 г. позволили сделать вывод о возможности промышленной биоконверсии биомассы в метан в масштабах достаточно близких к современной добыче природного газа.

Метан, как ископаемый, так и образующийся в современной биосфере, является конечным продуктом сложной цепочки превращения продуктов фотосинтеза в анаэробных, без доступа воздуха, условиях.

То есть, «новейший» метан современной биосферы и, возможно, значительная часть разведанного ископаемого метана содержит в себе законсервированную энергию Солнца.

nCO₂ + nН2О (энергия солнца) -> (СН2О)n + nО2 фотосинтез

(СН2О)n + n Н2О (анаэробный биопроцесс) -> nСН4 + nCO₂

Важное место в решении этих задач современной биоэнергетики играют биогазовые технологии, одновременно решающие проблемы: экологии, энергетики, агрохимии и сельскохозяйственного производства, социальные.

Какой же вывод следует из всего вышесказанного?

От существующих технологий производства энергии необходимо постепенно переходить к технологиям, основанным на использовании ЭНЕРГИИ СОЛНЦА И ЕЕ ПРОИЗВОДНЫМ (ветер, биомасса, гидро– и т. д.), которые позволят сохранить круглогодичный баланс СО₂ в атмосфере в соответствии с коротким циклом круговорота углерода и одновременно, минимизировать тепловое загрязнение атмосферы за счет производства тепловой энергии.[1-45].

БИОМАССА ЯВЛЯЕТСЯ ПОСТОЯННО ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМ ИСТОЧНИКОМ ТОПЛИВА.

Академик А.И. Опарин.

1901–1968 г

Академик В.Н.Шапошников

1894 – 1980 г.

Академик Н.Д. Иерусалимский

1901 – 1967 г.

Академик Е.Н. Кондратьева

1925 – 1995 г.

Чл. – корр. АН СССР С.И Кузнецов

1900–1987 г.

Чл. – корр. АН СССР В.Н.Букин

1899 – 1979 г.

Рис. 1–7. Отечественные ученые и специалисты – основатели промышленной биоэнергетики СССР.

Академик АН СССР В.Н. Шапошников; член. – корр. АН СССР С.И. Кузнецов; Академик АН СССР А.И. Опарин; член-корр. АН СССР В.Н. Букин; Академик АН СССР Н.Д. Иерусалимский; академик АН СССР Е.Н. Кондратьева; инженер-технолог И.С. Логоткин; профессор В.Я. Быховский; доктор биологических наук Е.С. Панцхава.

Инженер-технолог Логоткин И.С

1902 – 1985 г.

Проф., д-р биол. наук Быховский В.Я

1935 – 2001 г.

Панцхава. Е.С.

Международный опыт по масштабной реализации биотехнологий в энергетике требует активного содействия государственных структур и разработки соответствующих государственных программ.

Государственная программа должна скоординировать и объединить усилия специалистов науки и КБ, а также машино-строительные предприятия и компании по широкому внедрению ВИЭ в регионах страны.

Потенциальные объемы производства биотоплив из биомассы в России в ближайшие десятилетия могут составить в год около 1500 млн. ту.т./год, и не будут уступать объемам ежегодной добычи нефти, угля или природного газа, годовой энергобаланс России – более 1600 млн. ту.т.

Россия обладает большим опытом промышленного производства биотоплив из биомассы. СССР было первой страной в мире, которая в конце 60-х годов прошлого столетия освоила широкомасштабное промышленное производство биотоплив (биобутанола, биоэтанола, биоацетона, биоводорода и биогаза) из биомассы (мелассы-отхода сахаро-производства из сахарной свеклы).[1-45].

В настоящее время ежегодный объем производимых органических отходов агропромышленного комплекса (АПК) и городов по всем регионам России в сумме составляет почти 700 млн. тонн (260 млн. т по сухому веществу):

350 млн. т (53 млн. т с.в.) – животноводство,

23 млн. т (5.75 млн. с.в.) – птицеводство,

220 млн. т (150 млн. т с.в.) – растениеводство,

30 млн. т (14 млн. т с.в.) – отходы перерабатывающей промышленности,

32,5 млн. т – деревообработка

56 млн. т (28 млн. т с.в.) – твердые бытовые отходы.

Из этого количество отходов можно ежегодно получать до 73 млрд. куб. м биогаза (57 млн. тут.), до 90 млн. тонн пеллет или 75 млн. т «сингаза», который можно конвертировать в 160 млрд. куб. м водорода, а также получить до 330 тысяч тонн этанола, или до 88 млн. куб. м водорода и до 165 тысяч тонн растворителей (бутанола и ацетона).[1-45].

Сельское население России, согласно последней переписи, составляет 39 миллионов человек. Для обеспечения этого количества сельского населения газообразным топливом (приготовление пищи, горячая вода, отопление 8 месяцев) потребуется в год до 14.2 млрд. куб. м.

Современное сельское хозяйство России потребляет в год 2 млн. т бензина и 4.8 млн. т дизельного топлива.

По многолетним исследованиям советских и российских специалистов 1 л бензина или д. т. может быть заменен 1 куб. м природного газа в сжатом состоянии. 1 куб. м пр. газа эквивалентен 2 куб. м биогаза.

Для нужд транспорта и с/х машин потребуется для замещения традиционного топлива до 17 млрд. куб. м биогаза, для всего АПК – 31.2 млрд. куб. м

Биоэнергетика – это энергетические технологии и оборудование для переработки биомассы. Биотехнологии заложены в основу энергетических технологий, из чего следует, что энергетические технологии первичны к биотехнологии. Используя только биологические технология невозможно решить задачи стоящие на сегодняшний день перед малой энергетикой – «Биоэнергетикой».

Развивающаяся российская «Биоэнергетика» по своей масштабности и значимости решает более широкий круг вопросов, лишь частично сопряженных с биотехнологией.

Как свидетельствует мировой опыт, биоэнергетика должна развиваться как самостоятельный сектор экономики в рамках «большой» российской энергетики и в рамках Государственной программы по развитию биоэнергетики (далее – Госпрограмма).

При выполнении задач Доктрины продовольственной безопасности произойдёт увеличение поголовья крупного рогатого скота, свиней и птицы, что приведет к резкому увеличению отходов до 1200 млн. тонн.

Биоэнергетика позволит так же решить задачи переработки отходов лесопромышленного, пищеперерабатывающего комплексов, стоков ЖКХ.

Перед страной поставлена серьезная задача по увеличению использования ВИЭ в общем объеме производства энергии с 1 % до 4,5 % к 2020 году. Решение поставленных задач на 80 % возможно за счет биоэнергетики.

Литература

1-1.Энергетическая стратегия России на период до 2020 года, www.wood-pellets.com.

1-2.Панцхава Е.С., Будущее мировой энергетики-водород биофотолиза воды, Энергия, № 10, 2011, стр. 11-17

1-3.Михайлов А, Кризис изобилия, g. Газета. гц.

1-4.Терентьев Г.А. и др., Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов., Химия, 1989 г.

1-5.Кузнецов Б.Н., Моторные топлива из альтернативного нефти сырья., Химия 2000, www.pereplet.ru.

1-6.Количество легковых автомобилей в России на середину 2010 года. serega.icnet.ru.

1-7.Прогноз потребления МТ РФ 2008–2017..www.rsppenergy.ru.

1-8.Материал из Википедии – свободной энциклопедии, ru.wikipedia.org.

1-9.Средний пробег российского автомобиля – 16 700 км в год (Новости autokadabra.ru.

1-10.Анализ рынка дизельного топлива в России в 2006–2010 гг, прогноз на 2011–2015 гг, www.sakhalin.biz.

1-11.Производство дизельного топлива в России в 2012 г., portnews.ru.

1-12.Прогноз потребления МТ РФ 2008–2017.Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.

1-13. Минэнерго: добыча нефти в России в 2012 году достигнет рекордных 516–518 млн тонн., www.gazeta.ru.

1-14.Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН), www.expert.ru.

1-15.Производство авиационного керосина в России составляет около 9 млн тонн в год, www.maгketing.гbc.гц.

1-16..Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.

www.transday.ru.

1-17. Airline Industry Forecast (Airline Industry Forecast 20122016, IATA), www.iata.org.

1-18. Росавиация: По итогам 2011 года количество пассажиров составит около 110 млн., www.finam.ru.

1-19. Алексей Синицкий, Итоги работы гражданской авиации России в 2011 году, www.ato.ru.

1-20.Теплоснабжение Российской Федерации в цифрах,

www.rosteplo.ru

1-21. Теплоснабжение Российской Федерации в цифрах,

www.rosteplo.ru

1-22.В 2013 году производство тепловой энергии в России, inmarket.ru.

1-23.Эненргетика России сегодня и завтра, www.ecoatominf.ru.

1-24. «ВНИПИэнергопром», www.expert.energosovet.ru.

1-25. Стоимость различных энергоносителей, используемых для отопления и их затраты для получения 1 кВт тепловой энергии, www.prokotel.ru

1-26.Зоны централизованного и распределительного тeплоснабжения России, www.omc.zouo.ru

1-27.Потребление электроэнергии на жителя г. Москвы, s.mos.ru.

1-28.Анализ итогов деятельности электроэнергетики за 2011 год, прогноз нп 2012 год, minenergo.gov.ru.

1029.Воронин В.П, Перспективы развития электроэнергетики в условиях либерализации газового рынка, www.rao-ees.ru.

1-30. На Абаканской ТЭЦ установлен рекорд производства электроэнергии www.sibgenco.ru/news/item-164

1-31. Когенерация – комбинированный процесс одновременного производства тепла и электроэнергии., www.energycenter.ru.

1-32. Альтернативная энергия в США, www.omc.zouo.ru.

1-33.Крекинг нефти, www.energyfuture.ru.

1-34.Кузмичев В., В России заканчивается нефть, Росбалт, 05/01/2012

1-35.Институт нефтегазовой геологии и геофизики им А.А. Трофимука СО РАН, www.expert.ru.

1-36.Хайтун А., Россия на энергетическом рынке Европы, www.opec.ru.

1-37.Корытина Е., «Нефть за 3 доллара» Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки..

1-38.Нтересных фактов о нефти, которых вы не знали, vseobefti.ru.

1-39. Стоимость добычи нефти в России, rusanalit.livejournal.com.

1-40.Скорецкий Э., Цена нефти, www.port-folio.org.

1-41. Калашников М., Нефтяной кризис в РФ неминуем, newsland.com.

1-42.НиколаевГ., Будет ли переворот в энергетике? „Наука и жизнь“ №

9 Наука на марше, www.nkj.ru.

1-43.Изменение климата и необходимость замены ископаемых видов топлива, Solar Biofuels The Consortium, NATURE 395 (1998) 881884.)

1-44. Steady as she goes, in The Economist: London.,2006, p. 65–67.

1-45. Е.С. Панцхава и др., Биогазовые технологии, МГУИЭ, Центр «ЭКОРОС» Москва,2008.

1-46. Эксперт: Через семь лет нефти в России станет меньше… news.rambler.ru.

1-47. Нефть – Википедия., ru.wikipedia.org.

1-48. Кризис изобилия Алексей Михайлов эксперт Центра экономических и политических исследований (ЭПИцентр), g. Газета.т.

1-49. Крупнейшие экспортёры и импортёры нефти., Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.

1-50. Китай в 2012 году увеличил импорт нефти на 6,8 проц., Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.

1-51. Расклад сил на мировом рынке нефти., Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.

1-52. Немного o биотопливах., www.zelife.ru.

Глава 2. Биомасса

2.1. Биомасса – сырье для производства топлив и энергии

Научно-техническое промышленное направление «Получение твердого, жидкого, газообразного топлив, электрической и тепловой энергий из биомассы посредством термохимических технологий и биотехнологий» относится к общеэнергетической проблеме «Промышленная биоэнергетика».

Решение проблем Биоэнергетики определяется развитием таких направлений, как:

1. изыскание и создание крупномасштабных, высокопродуктивных источников биомассы (фотосинтез, производство древесной биомассы, промышленное разведение растений – продуцентов углеводородов, производство углеводсодержащей непищевой биомассы, производство водной биомассы, использование твердых отходов городов);

2. биотехнологическая конверсия (получение этилового и других спиртов, органических кислот, растворителей из различных видов биомассы, получение биогаза и водорода;

3. термохимическая конверсия (прямое сжигание, газификация, пиролиз, сжижение, фест-пиролиз, синтез) для получения жидкого, твердого и газообразного топлива (рис. 1).

Содержание биомассы в биосфере оценивается в 800 млрд. т [21], причем 90 % приходится на древесину, из них 70 млрд. т накапливается в континентальных лесах с общим энергосодержанием, втрое превышающим современное мировое потребление энергии.

Для сравнения – разведанные запасы угля оцениваются в 500 млрд. т, нефти – 200 млрд. т, природного газа -100 млрд. т (по углю) [2-16].

Биомасса – продукт фотосинтеза – самого мощного на планете преобразователя солнечной энергии – и последующей многообразной пищевой цепочки, основной источник топлива и энергии, включая и ископаемые органические топлива, как конечный продукт переработки древнейшей биомассы.

Биомасса – это растительный и животный мир и продукты их физиологической и технической переработки, включая многочисленные органические отходы. Биомасса или Биоресурсы – это мощный потенциальный мировой источник топлив и сырья для химии.

Биомасса, как производная энергии Солнца в химической форме, является одним из наиболее популярных и универсальных ресурсов на Земле. Она позволяет получать не только пищу, но и энергию, строительные материалы, бумагу, ткани, медицинские препараты и химические вещества. Биомасса используется для энергетических целей с момента открытия человеком огня. Сегодня топливо из биомассы может использоваться для различных целей – от обогрева жилищ до производства электроэнергии и топлив для промышленности и сельского хозяйства.

Биомасса является биологическим материалом фауны и флоры земной биосферы. И рассматривается как возобновляемый источник энергии автомобилей. [2–2,2-3]

Биомассы может использоваться непосредственно, либо косвенно при превращении в другой вид энергии, например, в различные виды биотоплив. Человечество использует биомассу с древних времен как источник энергии. В наше время этот термин может быть упомянуты в двух смыслах В первом смысле, растительная биомасса используются либо для выработки электроэнергии (с помощью паровых турбин или газогенераторы), или для производства тепла (через прямое сжигание). Древесина и древесные отходы остаются основным источником энергии биомассы сегодня.

Во втором смысле, она включает биомассу растительного и животного происхождения, которая может быть преобразована в химические и энергетические продукты, включая биотопливо. К промышленной биомассе относятся различные виды растений: мискантус, просо, конопля, кукуруза, тополь, ива, сорго, сахарный тростник, бамбук, и различные породы дерева, начиная с эвкалиптом, чтобы пальмового масла (пальмовое масло).

За последние десять лет производство этих растений увеличилась на 14 % В США, альтернативные источники электроэнергии производят около 13 % электроэнергии;. Биомасса обеспечивает приблизительно 11 % от альтернативных производств энергии.

В настоящее время энергетические потребности мира составляют ~ 11–12 млрд. т условного топлива (у. т.) и удовлетворяются за счет нефти и газа на 58–60 %, угля – на 30 %, гидро– и атомной энергии – на 10–12 % [2–4]. Разведанные запасы нефти, угля и газа приведены в табл. 1 и 2 [2–5].

В качестве источника энергии используется также растительная биомасса [2–6] (дрова и др.) – порядка 1 млрд. т у.т., или 0,7 млрд. т нефтяного эквивалента (н. э.), что составляет почти четвертую часть из добычи и потребления нефти в мире (~3 млрд. т).

Потребность в нефти и других видах современной энергии, вероятно, будет увеличиваться и одновременно будут усовершенствоваться методы энергетического использования растительной биомассы (помимо прямого сжигания.

Таблица. 2-1

Мировые запасы горючих ископаемых, пригодные для индустриальной добычи, млрд. т н. э.

Таблица. 2-2

Извлекаемые запасы горючих ископаемых и прирост биомассы. млрд. т н. э., [2–6, 2–9, 2-11]

Применение возобновляемой растительной биомассы для производства моторных топлив целесообразно и даже необходимо в связи с ограниченностью запасов нефти. По данным XIII Нефтяного конгресса (1991 г.) [2-11], разведанные запасы нефти в мире оцениваются в 140145 млрд. т (160 млрд. м³), которых при современном потреблении нефти в мире может хватить на 35–45 лет.

По отдельным регионам проблемы с запасами нефти стоят более остро: 76 % запасов находится на Ближнем и Среднем Востоке, в Латинской Америке. На остальные регионы остается 24 %, из которых 67 % приходится на СНГ. Учитывая уровень добычи нефти в 1990 г., этих запасов может хватить на 15–18 лет.

Потребность нефти в Российской Федерации – 270–300 млн. т, в целом по СНГ – 450 млн. т (для сравнения – США потребляют около 800 млн. т нефти). В дальнейшем потребление нефти в мире будет возрастать, поэтому, учитывая дефицит нефти, необходимо развивать новые пути получения жидких моторных топлив. Производство моторных топлив из твердых горючих ископаемых не слишком обширно. Так, в ЮАР получают 5 млн. т моторных топлив, для чего затрачивается 27–30 млн. т бурого угля. Эта технология основана на парокислородной газификации угля и получении моторных топлив из синтез-газа на железном катализаторе. Производство синтетических топлив в крупных масштабах с целью замены нефти представляет трудную задачу. Для производства 150 млн. т синтетических топлив (1/2 потребности России) понадобилось бы около 1 млрд. т бурого угля (добыча угля в 1990 г. в Советском Союзе составила около 700 млн. т, в США -800 млн. т).

Доступным и возобновляемым сырьем для производства синтетических моторных топлив является биомасса растений. Например, в Канаде лесная и лесоперерабатывающая промышленность более 70 % необходимой энергии получает из отходов древесины (газификацией и другими методами). В Советском Союзе в период 1940–1950 гг. были созданы установки, работавшие на лесных и сельскохозяйственных отходах при их газификации воздухом с получением газообразного моторного топлива. Ежегодный прирост биомассы растений на Земле составляет от 170 до 200 млрд. т, считая на сухое вещество, что в пересчете на нефтяной эквивалент соответствует примерно 70–80 млрд. т [2–9, 2-10].

В связи с дефицитом нефти целесообразно использовать местные виды топлив – растительную биомассу, бурый уголь, торф, сланцы, различные твердые органические отходы (мусор в городах) при переработке в жидкое топливо. Общее количество различных твердых органических отходов (лесодобыча и лесопереработка, сельское хозяйство, промышленность, бытовой мусор в городах) может быть очень велико. Например, в США оно достигает 1–1,2 млрд. т в год. Из этого количества можно получить около 1/4 моторных топлив, т. е. более 100 млн. т. Однако большая часть отходов не используется, некоторую часть применяют для получения биогаза (смесь СН₄ с СО₂), другая часть сжигается.

Например, фирма “Боинг” сжигает биомассу (отходы древесины и городской мусор) для получения примерно 60 % тепла, необходимого для обогрева завода “Боинг” площадью 550 тыс. м² являющегося крупнейшим в мире производственным комплексом [2-12].

Ресурсы ежегодно возобновляемой растительной биомассы энергетически в 25 раз превышают добычу нефти. В настоящее время сжигание растительной биомассы составляет ~10 % от потребляемых энергоресурсов (примерно 1 млрд. т у. т.), в будущем ожидается существенное расширение использования биомассы в виде продуктов ее переработки (жидких, твердых топлив и др.), и в первую очередь отходов, которые скапливаются и разлагаются, загрязняя окружающую среду [2-13].

Биомасса перерабатывается в топливные и химические продукты различными методами: пиролизом, гидролизом, газификацией, гидрогенизацией и др. Эти процессы осуществляются на передвижных или стационарных установках.

2.2.Источники биомассы

Древесина является типичным источником биомассы.

Объем производства биомассы в мире составляет 146 млрд. тонн в год, состоящий в основном из диких растений. Энергию биомассы получают из шести различных источников биоэнергии: бытовых отходов, древесины, энергетических растений, отходов агропромышленных комплексов, свалочного газа, и алкогольного топлива.

Биомасса может быть преобразован в другие полезные формы энергии: газ метан или транспортные топлива – этанол, бутанол, биодизель и биоуглеводороды.

Широкие перспективы для рентабельного производства различных видов энергии и топлива открывает использование для этих целей пресных и морских водорослей.

Энергия созданная путем сжигания биомассы (дров), также известна как dendrothermal.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ БИОМАССЫ.

Химический состав биомассы может различаться в зависимости от ее вида. Обычно растения состоят из 25 % лигнина и 75 % углеводов. К наиболее важным категориям углеводов можно отнести целлюлозу. Лигниновая фракция состоит из молекул не углеводного (производные фенолов) типа.

Рис. 2–1. ТЭЦ в городе Мец, Франция.45MW котел использует биомассу отходов древесины в качестве источника энергии. [2-14].

ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ БИОМАССЫ [2–2].

Двуокись углерода из атмосферы и вода посредством фотосинтеза (квантов световой энергии) образуют "строительные блоки" биомассы. Таким образом, солнечная энергия, сохраняется в химической форме в безмассовой структуре. При окислении биомассы (сжигание) кислородом атмосферы вновь образуется двуокись углерода и вода. Процесс циклический, потому что двуокись углерода может вновь участвовать в производстве новой биомассы.

Рис. 2–2. Упрощенный углеродный цикл.[2–2]

В течение тысячелетий люди добывали энергию Солнца, сохраненную в вы-де энергии химических связей, сжигая биомассу в качестве топлива или употребляя ее в пищу и для технических изделий. Ископаемые виды топлива также являются продуктом длительной биологической и термохимической конверсии древнейшей биомассы. В течение миллионов лет на Земле остатки фауны и флоры превращаются в топливо.

Биомасса считается одним из ключевых возобновляемых энергетических ресурсов будущего. Сегодня она обеспечивает 14 % потребления первичной энергии. Для трех четвертей населения человечества, живущих в развивающихся странах, биомасса является самым важным источником энергии. Увеличение населения и потребления энергии на одного жителя, а также истощение ресурсов ископаемого топлива приведут к быстрому увеличению спроса на биомассу в развивающихся странах. В среднем, в развивающихся странах биомасса обеспечивает 38 % первичной энергии (а в некоторых странах 90 %). Весьма вероятно, что биомасса останется важным глобальным источником энергии в развивающихся странах в течение всего 21 века.[2–2].

Ежегодный прирост биомассы на земле составляет 220 млрд. тонн (по св.), что позволяет запасать в виде энергии химических связей до 4 х 10 ²¹ Дж энергии.

Мировое годовое коммерческое использование всей энергии составляет 3.9 х 10 ²⁰ Дж, что в 10 раз меньше запасаемой энергии.

Например, энергетическое содержание производимых в мире сельскохозяйственных отходов составляет 93 х 10¹⁸ Дж./год. Допуская, что только 25 % их реально использовать, отходы могут обеспечить около 7 % мировой энергии.

Городские твердые отходы – ТБО также могут быть важным источником энергии. Только в США их ежегодно образуется около 320 млн. тонн, или по 1 т/год на человека. В развивающихся и слаборазвитых странах эти величины соответственно меньше, но можно полагать, что ежегодно в мире в городах накапливается несколько млрд. тонн ТБО [2-16]. Если считать, что, в среднем, ТБО содержат 60–65 % органических веществ растительного и животного происхождения, то по аналогии с фотосинтетической биомассой ежегодное содержание энергии в ТБО может составлять 4–6 х 10¹⁸дж.

Рис. 2–3. Производство и потребление биомассы в мире в сравнении с общим потреблением энергии. [2–2].

Потребление биомассы растет быстрыми темпами и в развитых странах. В развитых странах биомасса используется весьма интенсивно: Швеция и Австрия обеспечивают 15 % потребности в первичных энергоносителях за счет биомассы.

В ряде развитых и развивающихся стран биомасса используется для получения энергии и топлива. В мире около I млрд. чел. используют древесину как топливо. 1/7 часть используемой энергии обеспечивается за счет биомассы. В таких развивающихся странах, как Эфиопия, Непал, Танзания энергетика на 95 % зависит от использования биомассы, в Нигерена 85, Сомали-, Судане – 85, Бангладеш, Кении -75, Таиланде – 65, Индии.– 55, Боливии – 45, Китае – 35, Бразилии -25, в среднем – на 45 % [2-15].

Приведенные выше цифры весьма оптимистичны, и даже наблюдавшееся в 1985 – 1986 гг. снижение цен на нефть на международном рынке, по мнению крупной фирмы "Аррlied роwer – technology", штат Калифорния, не может оказать влияния на изменение объемов использования биомассы в целях энергетики.

Рис. 2–4. Использование биомассы в качестве источника энергии в мире

Рис. 2–5. Распределение биомассы в мире (Зеленый цвет – биомасса) [2–2].

Интерес к использованию биомассы как источника энергии вызван следующими положительными обстоятельствами: I) биомасса постоянно возобновляется; 2) энергия, запасенная в биомассе, может храниться и использоваться в течение длительного времени; 3) она конвертируется в различные виды топлива; 4) к настоящему времени разработано и создано значительное число биоэнергетических технологий, пригодных к использованию; 5) имеются реальные перспективы в развитии этой отрасли; 6) широкое вовлечение в энергетику различных видов органических отходов; 7) в ряде регионов биотопливо является более экономически выгодным или основным видом энергии; 8) биоэнергетика является источником экологически чистой энергии, не образуются вредные газообразные оксиды серы, не меняется баланс углекислого газа в биосфере. [2-16].

Однако эта новая отрасль энергетики имеет и свои негативные стороны: I) для производства энергетической биомассы нужны земельные площади; 2) производство биомассы требует воды, удобрений и т. д.; 3) стоимость биоэнергии, колеблется в широких пределах и в ряде случаев намного превышает стоимость традиционных источников энергии; 4) биомассу экономически выгодно использовать только локально; 5} значительная часть биомассы содержит более 50 % воды, что удорожает технологии ее переработки в топливо и энергию; 6) продуктивность биомассы зависит от климата и агроусловий; 7) некоторые виды биомассы сезонны; 8) фотосинтез имеет малый КПД; 9) некоторые технологии конверсии биомассы в топливо пока неэффективны; 10) производство биомассы требует изменения сельскохозяйственной и лесоводческой практики; II) биомассу сложнее хранить, чем нефть или природный газ.[2-16].

Количество и виды топлива, получаемого из биомассы, зависят не только от общих объемов воспроизводимой биомассы, но и от качества биомассы: влажности, состава органических веществ, физических особенностей и т. д.

В ближайшие годы основным сырьем для производства энергии и топлива методами биоэнергетической технологии будут служить разнообразные органические отходы. В развитых странах в год на одного человека накапливается до 5 т органических отходов по сухому веществу.

С дальнейшей интенсификацией производства и урбанизацией происходит концентрация отходов. Это, с одной стороны, требует принятия неотложных мер для их утилизации с целью обезвреживания и охраны окружающей среды, с другой – применения прогрессивных, высокоэкономичных технологий их переработки с возможным вторичным использованием, в частности, для получения энергии, органоминеральных удобрений и др.

Как отмечалось выше, биомасса будет трансформироваться в топливо или энергию методами биологической и термохимической конверсии.

Целесообразность использования биомассы в качестве источника энергии определяется ее энергоемкостью и содержанием в ней питательных веществ и золы. В органическом веществе тканей большинства растений содержится 46–48 % углерода, а у водорослей с высоким содержанием жира и, следовательно, с повышенной энергоемкостью оно достигает 54 %.

Рис. 2–6. Целесообразность использования биомассы [2–2].

Вместе с тем наземные растения, как правило, содержат около 5 % золы, в то время как в водных растениях известковых почв количество золы составляет 25 %, 50 % для некоторых видов водорослей (Chard) и 90 % для коралловых полипов (Corallinaceae).

Хотя энергоемкость некоторых водорослей значительно выше энергоемкости наземных растений, однако вследствие относительно высокого содержания золы количество энергии в макрофитах на сухую массу приблизительно такое же, как у наземных растений. При исследовании 11 видов сосудистых водных растений было установлено, что их теплота сгорания составляет 16 353-19058 кДж/г сухой массы. Результаты изучения тканей пяти видов растений из заболоченных земель показали, что содержание золы колеблется от 5,9 % в тростнике обычном (Phragmites communis) до 15,6 % в хвоще речном (Equisetum fluviatibe) при среднем содержании 8,5 % на сухую массу. При этом концентрация азота находилась в пределах 1,2–2,1 % на сухую массу, а соотношение углерода и азота от 20:1 до 30:1.[2–2].

Водорослевые культуры могут быть эффективным источником энергетического сырья только при таком методе сбора урожая, который исключает использование больших площадей и расходование больших количеств воды и питательных веществ. В некоторых случаях питательные вещества могут быть получены из окислительных прудов, предназначенных для обработки культивируемых растений, а водоемами могут служить мелкие, аэрируемые пруды с большим расходом или с рециркуляционными системами. В таких специализированных системах скорость производства биомассы в небольших масштабах может достигать 60 г/м2 сухой массы в сутки.[2–2].

Заболоченные земли с полупогруженными макрофитами характеризуются высокой продуктивностью (до 600 г/м2 сухой массы в год) и относительно большим выходом биомассы. Однако такие земли, как правило, представляют собой относительно небольшие изолированные участки, не говоря уже о том, что, как и для всех растительных источников биомассы, скорость производства биомассы водорослей зависит от времени года. Исключение, по-видимому, составляют районы вдоль побережья Мексиканского залива, где рост водорослей происходит в течение всего года, хотя и очень медленный зимой. [2–2].

Рис. 2–7. Мировой спрос на первичную энергию по источникам,2005 г [2-17].

2.3. Энергетический потенциал биомассы России

Исследования, проведенные в 2005 г. Институтом энергетической стратегии показали, что объем производимых органических отходов АПК и городов по всем регионам России в сумме составлял почти 700 млн. тонн (260 млн. т по сухому веществу) в год:

350 млн. т (53 млн. т с.в.) – животноводство,

23 млн. т (5.75 млн. с.в.) – птицеводство,

220 млн. т (150 млн. т с.в.) – растениеводство,

30 млн. т (14 млн. т с.в.) – отходы перерабатывающей промышленности,

ТБО – 56 млн. т (28 млн. т с.в.),

12 млн. т (2 млн. т с.в.), – . с валовым энергосодержанием 92–93 млн. ту.т. (технический потенциал составляет 90.4 млн. ту.т., экономический потенциал – 53.3 млн. ту.т.).

20 % потенциальной энергии приходится на отходы животноводства и птицеводства,

58 % – на растениеводство,

7.9 % – на отходы перерабатывающей промышленности,

11.9 % – на ТБО и 1.2 % – на осадки сточных вод.

Из этого количество отходов можно ежегодно получать до 73 млрд. куб. м биогаза (57 млн. ту.т.), до 90 млн. тонн пеллет или 75 млн. т «син-газа», который можно конвертировать в 160 млрд. куб. м водорода, а также получить до 330 тысяч тонн этанола, или до 88 млн. куб. м водорода и до 165 тысяч тонн растворителей (бутанола и ацетона).

*Источник: Институт энергетической стратегии

Литература

2-1.Hall D.O., Inst. Chem. Eng. Symp., Sept. 1982, n 72, T6/1-T.

2-2.БИОМАССА(ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ),

2-3. Biomass From Wikipedia, the free encyclopedia Jump to: navigation, search

2-4.Storl E. // Energia. 1988. V. 10. № 1. P. 4.

2-5. Я. М. Паушкин, Г. С. Головин, А. Л. Лапидус, А. Ю. Крылова, Е. Г. Горлов, В. С. Ковач., Получение моторных топлив из газов газификации растительной биомассы, Институт горючих ископаемых.

2-6. Wild W. H. //Erdol-Erdgaz-Kohle. 1989. № 3. S. 101.

2-7.Ramain P. //Cah. fr. 1988. № 236. P. 15.

2-8. Otto O. //Glukauf. 1983. B. 119. S. 335.

2-9.Leth H. //Angew. Botanik. 1972. B. 46. № 1. S. 37.

2-10.Bernard B. //Afrique exp. 1984. № 4. P. 44.

2-11.Masters S. D. World Petroleum Congress, Buenos Aeres, 1991

2-12. Frank E. //Petrol. Econ. 1984. V. 51. № 3. P. 104.

2-13.Коллеров Л. К. Газомоторные установки. М.: Машгиз, 1951.

2-14. File: Metz biomass power station.jpg From Wikipedia, the free encyclopedia, www.google.ru.

2-15. Inter. Bioenergy Directory. Ed. P.F. Bente, Washington: Aver. Council Bioenergy, 1984, p. 1000.

2-16. Панцхава Е.С. и др., Биогазовые технологии, М. 2008, 217стр.

2-17. Экономика питание биотопливо ООН., www.slideshare.net.

Глава 3. Общие вопросы биотоплива и биоэнергетические технологии

Энергия, продукты питания и труд – ресурсная триада, определяющая социально-экономическую ситуацию современного общества. При этом, если первые два ресурса привычно записываются в разряд дефицита (Миллиард (!) людей на планете голодает, а большая часть энергии добывается варварским способом, отравляющим атмосферу), то третий – трудовой ресурс – все время в избытке (есть страны, где безработица среди трудоспособного населения превышает 80 %). [335]

Этот парадокс объясняется – отсутствием системного подхода к проблеме ресурсов. [3-35].

Цена на нефть в условиях глобальной экономики – один из критичных и очень неустойчивых показателей. В результате, программы по биотопливу то открываются, то закрываются. Так будет продолжаться до тех пор, пока проблема не будет решаться как системная: не отдельно – продовольствие, энергия, трудовые ресурсы, а только в единой системе (куда естественно войдёт и экология, автор). Для того чтобы выявить факторы, лимитирующие решение проблемы, необходимо ответить на ряд вопросов. Прежде всего, достаточно ли биоресурсов второго поколения, чтобы сколь-нибудь значительно сократить использование ископаемого углеводородного топлива.

Биотопливо по механохимическим характеристикам делится на:

1. ТВЕРДОЕ БИОТОПЛИВО

2. ЖИДКОЕ БИОТОПЛИВО

3. ГАЗООБРАЗНОЕ БИОТОПЛИВО

По сырьевому происхождению биотопливо разделяют на:

БИОТОПЛИВО ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ (продукты сельскохозяйственного производства: зерно, растительные масла, животный жир, лесная стволовая древесина).

БИОТОПЛИВО ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ (органические отходы лесопромышленного комплекса и агропромышленного комплекса).

Это различные виды топлива, полученные различными методами термохимии и биотехнологии из вторичной биомассы.

БИОТОПЛИВО ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ(морские и пресноводные водоросли).

Поколения биотоплива [3-54].

Классификация биотоплива необходима для того чтобы избегать двойного учета различных видов биотоплива в статистике, а также для избирательной поддержки разработки и производства определенных видов биотоплива. Тем не менее, существуют различные системы классификации биотоплива во многом противоречащие друг другу.

Первичное и вторичное биотопливо

Наиболее общее разграничение проводится между первичным (необработанным) и вторичным биотопливом (обработанным). Под первичным биотопливом FAO понимает_ «топливо, органический материал которого используется главным образом в своей природной форме (как он был заготовлен)». Образцами такого топлива являются: топливная древесина, древесная щепа, гранулы и т. д. Вторичное биотопливо подвергается трансформации перед использованием и может существовать в твердой (например, древесный уголь), жидкой (например, этанол, биодизель и биомасло) или газообразной (например, биогаз, синтез-газ и водород) форме.

Согласно_Комитету по статистике ООН (Annex A. Стр. 174. Код 5) к первичному биотопливу относятся не только топливная древесина, пеллеты и т. д., но и биогаз, биодизельное топливо, авиационный биокеросин. Единственным видом вторичного биотоплива принимается древесный уголь (charcoal), что в целом противоречит определениям данным в том же документе (разделы 3.16 и 5.10).

Рис. 3–1. Первичная и вторичная энергия

В настоящее время объемы потребления первичного биотоплива намного превышают объем потребления вторичного биотоплива. По оценкам 1БЛ_в мировом потреблении первичной энергии биомасса составляет около 10 % (—1200 млн тонн нефтяного эквивалента) из них около 750 млн тонн используется в виде дров для приготовления еды и обогрева. Тогда как более современные методы использования биомассы, включая жидкие биотоплива, сжигание биомассы на ТЭЦ и т. д., потребляют около 460 млн тонн. В слаборазвитых странах (Танзания) первичное биотопливо составляет до 89 % от всего объема производства первичной энергии.

Биотоплива 1-го, 2-го, 3-го и 4-го поколения

Наиболее стройная система классификации вторичного биотоплива (по определению FAO) была предложена Biofuels Digest. В данной системе учитывается как конкуренция с производством продуктов питания, так и сокращение промежуточных этапов в производстве топлива. Система аналогична системе классификации в работе Dragone et al., 2010 за исключением 4-го поколения биотоплива отсутствующего у Dragone.

Рис. 3–2. Классификация биотоплив по системе Dragone et al., 2010 [3-55].

Первое поколение биотоплива

Биотоплива произведенные путем переработки пищевых сельскохозяйственных растений в биодизель или этанол используя трансэстерификацию или брожение, или путем смешивания растительных масел с ископаемым топливом, или используя чистое растительное масло в качестве топлива.

Второе поколение

Биотопливо, произведенное на землях непригодных для производства продукта питания и с использованием непищевых культур, или произведенное из остатков от производства продуктов питания. Включает в себя технологии производства этанола из целлюлозы, биотопливо из ятрофы, Фишер-Тропш и другие способы газификации биомассы.

Третье поколение

Биотопливо, произведенное на землях непригодных для сельского хозяйства с использованием интегрированных технологий, в ходе которых производится либо само биотопливо, либо предшественник биотоплива, но при этом требующее разрушения биомассы. Типичный пример технологии – это производство биотоплива с использованием микроводорослей накапливающих в себе липиды, но требующее разрушения клеток водорослей, затем экстракции липидов и их трансформации в биодизельное топливо.

Четвертое поколение

Биотопливо, произведенное на землях непригодных для сельского хозяйства и не требующее разрушения биомассы. Примером такой технологии является производство алканов (основных компонентов моторного топлива) генетически модифицированным цианобактериями в ходе фотосинтеза из углекислого газа. При этом происходит секреция алканов с среду, а сами цианобактерии могут продолжать синтез.

Обычное биотопливо и Передовое биотопливо

Также могут использоваться другие системы классификации. International Energy Agency_использует разделение на conventional (обычное) и advanced (передовое или продвинутое) биотопливо. Обычное биотопливо производится по существующим технологиям в промышленном масштабе (биоэтанол из кукурузы и сахарного тростника, биодизель и т. д.), продвинутое биотопливо включает в себя виды биотоплива находящиеся на ранней стадии развития такие как этанол из целлюлозного сырья, «biomass-to-liquids (BTL) diesel», «bio-derived synthetic natural gas (bio-SNG)» и т. д. Нужно отметить, что это определение отличается от определения “Advanced Biofuels” принятого в американском законодательстве, где оно обозначает биотопливо приводящее к снижению выбросов парниковых газов более чем на 50 % по сравнению с ископаемым топливом и включающего в себя этанол из сахарного тростника.

3.1. Поколения растительных биотоплив [3-36]

После мирового энергетического кризиса в начале семидесятых годов ХХ столетия в мире возник интерес к возобновляемым источникам энергии, в частности к биотопливу. Первая причина – озабоченность запасами невозобновляемого углеводородного сырья и ростом цен на него. Вторая – попытка стран – импортёров нефти уменьшить зависимость от стран-производителей. Третья – необходимо улучшить экологическую ситуацию. Четвертая – нужно поддержать сельское хозяйство, демпфируя перепроизводство зерновых.[3-37].

Технологии производства биотоплива, в отличие от других альтернативных технологий (использования энергии Солнца, ветра, приливов, геотермальных источников, водорода), могут давать дополнительный выигрыш при эксплуатации биосферы, в том числе повышать эффективность сельского хозяйства и лесного комплекса. Биоэтанол производится из сахарного тростника, багассы, свеклы или отходов свекловичного производства– мелассы, кукурузы, пшеницы, картофеля, соломы, шелухи, опилок – в общем, из любого сырья, которое содержит крахмал или сахар.

Биодизель – это моноэифры жирных кислот – из органических отходов, в частности древесных, можно получать газ – синтез-газ методом пиролиза – разложения органических веществ под действием температуры без доступа воздуха, с ограниченным доступом кислорода.

Биогаз можно получать путем метанового брожения куриного помета или навоза или других жидких отходов растительного и животного происхождения, осадков сточных вод, твердых бытовых отходов, причем побочный продукт этого процесса – отличные удобрения. Наконец, из отходов лесопиления и деревообработки можно под высоким давлением делать так называемые пеллеты (маленькие цилиндрические брусочки), которые охотно используются в Германии, Австрии и скандинавских странах в специальных котлах для отопления домов. Выход тепла у них почти в два раза больше, чем у обычных дров, а места они занимают намного меньше.[3-37]

Из этих технологий наибольшее распространение в мире получили биоэтанол, биодизель и биогаз.

3.2. Растительное сырье разделяют на три поколения

3.2.1. Растительное сырье первого поколения

Биотопливо первого поколения производят из сахара, крахмала, растительного масла и животного жира, используя традиционные технологии. Основными источниками сырья являются семена или зерно. Например, семена подсолнечника прессуют для получения растительного масла, которое затем может быть изпользовано в биодизеле. Из пшеницы получают крахмал, после его сбраживания – биоэтанол. Вместе с тем из подсолнечника, пшеницы и других подобных культур можно произвести продукты питания, поэтому возникает конкуренция с жизненно важным для человечества сегментом рынка пищевым. Более того, производство биотоплива из подобных культур требует существенной финансовой поддержки государства и зачастую экономически невыгодно. Кроме того, многие экологи уверены, что при производстве данных видов биотоплива выбрасывается слишком много парниковых газов, что перекрывает экологическую выгоду от использования этих биотоплив.

3.3. Растительное сырье второго поколения

К биотопливам второго поколения относятся все виды жидкого и газообразного биотоплива, которые производятся не из пищевых культур: древесины, шелухи, и другой биомассы – органических отходов растительного и животного происхождения. Лигноцеллюлозный этанол получают из гидролизатов целлюлозы, используя: нагревание паром, ферменты и другие предобработки. С помощью брожения из данных сахаров можно получить этанол таким же путем, как и биоэтанол первого поколения. Побочным продуктом этого процесса является лигнин, которой может быть сожжен как не влияющий на концентрацию углекислого газа в атмосфере для выработки тепла и энергии. Также лигноцеллюлозный этанол сокращает выбросы парниковых газов на 90 % по сравнению с ископаемой нефтью.

3.4. Растительное сырье третьего поколения

Совершенно новый видбиотопливо третьего поколения или водорослевое топливо изготовляется из водорослей. Водоросли – одновременно дешевое и высокопродуктивное сырье для получения жидкого биотоплива. Эксперты утверждают, что с одного акра водорослей можно произвести в 30 раз больше биотоплива, чем с акра любого наземного растения. Более того, жидкое биотопливо из водорослей может без труда заменить продукты из нефти без качественных потерь для пользователей и с улучшением экологической составляющей. Эксперты утверждают, что как только жидкое биотопливо из водорослей станет экономически рентабельным для производства в большим масштабах (а сейчас к этому приближаются), то нефтяное топливо уже будет неконкурентоспособным.[3-38]

Биотопливо (кроме биогаза [3-26]) пока дороже топлива, получаемого из углеводородных ископаемых. Но развитие технологий скоро изменит эту ситуацию, а экологические требования и задачи стимулирования агропрома делают это горючее интересным уже сегодня.[3-36]. Рассмотрим две главные статьи расхода энергоресурсов: производство электроэнергии и транспорт. Возобновляемые ресурсы второго поколения: отходы лесопереработки (термохимия и биотехнологии), торф (только ежегодный прирост), навоз (через биогаз), солома (через газификацию), твердые бытовые отходы (биогаз и газификация) могут дать около 12.6 трлн. кВт ч/год электроэнергии. Если к этому добавить потенциальный ресурс мискантуса (слоновьей травы (Miscanthus Giganteus), выращиваемого на площади 200 млн. га (Это ок. 20 % мирового резерва пахотно пригодных земель, который сейчас по самой скромной оценке составляет 1 млрд. гектар), то можно получить в сумме приблизительно 29.4 трлн. кВт ч/год электроэнергии. Сейчас уровень потребления электроэнергии в мире приближается к отметке 56 трлн. кВт ч/год в том числе за счет сжигания ископаемого топлива примерно 4.8 млрд. ту.т. (37.5 трлн. кВт ч/год) образом, потенциал биоэнергоресурсов второго поколения позволяет сократить почти на 80 % использование ископаемого топлива, а главное, полностью исключить сжигание нефтепродуктов для производства электроэнергии. [3-39] Глава 3.5. Как обстоят дела с транспортом? Сейчас мировое потребление нефтепродуктов на транспортные нужды составляет около 4.1 млрд. ту.т. Если использовать ещё 40 % мирового резерва земли для выращивания двух культур: топинамбура в качестве сырья для производства биоэтанола, и ятрофы (Jatropha) – сырья для получения биодизеля, то можно получить транспортное топливо эквивалентом примерно 1.7 млрд. ту.т. сократив на 40 % использование ископаемых углеводородов на транспорт.[3-39].

Таким образом, потенциал биоэнергоресурсов второго поколения, наряду с решением важнейшей экологической проблемы, позволяет вернуться к производству продовольствия из кукурузы, пшеницы, сахарного тростника, сои, рапса и пр. Дополнительные возможности связаны с технологией биоконверсии отходов животноводства и растениеводства в биогаз, позволяющей, наряду с энергоносителем, получить еще один весьма важный продукт – высокоэффективное, экологически безопасное органическое удобрение. Это удобрение обеспечивает увеличение урожайности различных культур не менее чем в 2 раза, повышая при этом устойчивость растений к неблагоприятным воздействиям среды, особенно к засухе. Переработка одного только навоза, помимо 0.41 млрд. ту.т. электроэнергии, позволит получить 14 млрд. тонн этого ценнейшего удобрения. По самым скромным подсчетам применение удобрения увеличит производство продовольствия в мире на 50 %. [3-39].

3.6. Зачем нужны биотоплива

Одним из главных преимуществ биотоплив называют сокращение выбрсов парниковых газов. Это, однако, не означает, что при сгорании биотоплив образуется меньше диоксида углерода (хотя и такое возможно). При сгорании биотоплива в атмосферу возвращается углерод, который ранее поглотили растения, поэтому углеродный баланс планеты остаётся неизменным. Ископаемые топлива – совсем другое дело: углерод в их составе миллионы лет оставался «за консервированным» в земных недрах. Когда он попадает в атмосферу, концентрация углекислого газа повышается. В том, что касается вредных выбросов, биотоплива несколько выигрывают у нефтяных. Большинство исследований показывают, что биотоплива обеспечивают снижение выбросов моноксида углерода и углеводородов. Кроме того, биотоплива практически не содержат серы. Вместе с тем, несколько увеличивается выброс оксидов азота, вдобавок, при неполном сгорании многих биотоплив в атмосферу попадают альдегиды. Но, в целом, по уровню вредных выхлопов биотоплива выигрывают у нефтяных.

3.7. Мировой возобновляемый энергетический ресурс

3.7.1. Твердое топливо

3.7.1.1. Использование древесного топлива и торфа

К твердому биотопливу относятся: пеллеты и гранулы из древесины, торфа, соломы, стеблей, древесная щепа, дрова, древесный уголь, торфяные брикеты.

Твердые энергоносители биологического происхождения (главным образом навоз, отходы древесина, торф) брикетируют, сушат и сжигают в каминах жилых домов и топках тепловых электростанций, вырабатывая дешевое электричество для бытовых и производственных нужд. Отходы древесины с минимальной степенью подготовки к сжиганию (опилки, кора, шелуха, солома и т. д.) прессуют в топливные брикеты или пеллеты, которые имеют форму цилиндрических или сферических гранул диаметром 8-23 мм и длину 10–30 мм.[3-41].

В стадии опытно-промышленной эксплуатации находятся электростанции, для которых организовано выращивание «энергетических лесов», т. е. работающие на сжигании в котлах древесины. Широко используются отходы лесопереработки и лесозаготовок, а также энергетического торфа для производства тепловой и электрической энергии (страны Скандинавии), как при прямом сжигании биомассы, так и через ее газификацию с последующим сжиганием генераторного газа[3-42].

3.7.1.2.Дрова

Дрова – древнейшее топливо, используемое человечеством. После того как, в соответствии с греческим мифом, Прометей похитил у богов огонь и дал его людям, биотопливо согревало пещеры, в которых жили наши древние предки, на огне они готовили пищу. И сегодня древесина служит основным топливом в очагах двух миллиардов жителей бедных стран и горит в каминах состоятельной части общества.

В настоящее время для производства дров или биомассы выращивают энергетические леса, состоящие из быстрооборачиваемых растений. Из-за значительного роста цен на нефть население африканских стран сокращает потребление нефтяных топлив, увеличивает использование дров, что приводит к уничтожению лесов. [3-37].

Например, Кения сократила потребление керосина для бытовых нужд с 389 тысяч тонн в 2005 году до 329 тысяч тонн в 2007. Энергоносители биологического происхождения (главным образом навоз и т. п.) брикетируются, сушатся и сжигаются в каминах жилых домов и топках тепловых электростанций, вырабатывая дешёвое электричество, используемое в бытовых и производственных нуждах. В последнее время разработаны методы непосредственного получения электричества с помощью специальных бактерий при сбраживании биологических отходов.

Древесные отходы прессуют в пеллеты, которые имеют форму цилиндрических или сферических гранул диаметром 8 – 23 мм и длиной 10 – 30 мм. Также кроме пеллет отходы прессуют в топливные брикеты. Отходы биологического происхождения – необработанные или с минимальной степенью подготовки к сжиганию: опилки, щепа, кора, лузга, шелуха, солома и т. д. [3-37].

Сжигание древесины – экологичный вариант энергетики с «нулевыми» выбросами: в атмосферу выделяется столько диоксида углерода, сколько его было усвоено растениями при накоплении фитомассы. Часто также: Топливный торф, твердые бытовые отходы и т. д.

3.7.I.3. Древесные гранулы

Рис. 3–3. Внешний вид древесных гранул.

Гранулы делаются из отходов (опилок и стружек) и используются в широких масштабах в системах централизованного теплоснабжения. Они производятся прессованием и имеют 1–3 см в длину и около 1 см в диаметре. Они чистые, обладают хорошим запахом и приятные на ощупь. Гранулы имеют низкую влажность (менее 10 %) и высокую теплотворную способность по сравнению с другими видами древесного топлива. После прессования уменьшается объем, в результате увеличивается количество энергии в единице объема (энергетическая плотность). При сжигании гранул процесс обладает большей эффективностью и образуется малое количество остатка.

Рис. 3–4. Большой котел (2.5 МВт) для сжигания гранул и щепы, используемый в системах централизованного теплоснабжения.

Существуют различные виды гранул. Некоторые производители используют связующие вещества для того, чтобы продлить продолжительность существования гранул. Связующие вещества часто содержат фосфор, который попадает в дымовые газы при сжигании. Соединения фосфора участвуют в образовании кислотных дождей и увеличивают коррозию дымохода. Поэтому лучше использовать гранулы без связующих веществ. [3-43]

Параметры древесных пеллет-гранул: Диаметр: 5 – 8 мм Длина: макс. 30 мм Плотность: мин. 650 кг/м³ Влажность: макс. 8 % веса Теплотворная способность: 4,5 – 5,2 кВт-ч/кг 2 кг гранул = 1 литр мазута

Существует много преимуществ использования древесных пеллет-гранул в качестве топлива. Гранулы и пеллеты могут быть получены из древесных отходов. Сжигание гранул помогает избавиться от отходов деревообрабатывающей и мебельной промышленности. В гранулах обычно отсутствуют добавки для улучшения процесса горения. При сжигании гранул не образуется дым. Использование этого вида топлива уменьшает потребность в ископаемом топливе, сжигание которого приносит вред окружающей среде. [3-43]. Стоимость древесных гранул может зависеть от места получения и времени года.

Гранулы могут использоваться в различных типах зданий – гостиницах, ресторанах, магазинах, офисах, больницах и школах. До недавнего времени гранулы использовались в 500 тыс. домов в Северной Америке. [3-43].

З.7.1.4. Древесная щепа

Рис. 3–5. Внешний вид щепы древесной.

Древесная щепа получается из отходов лесной древесины. Древостой должен прореживаться при выращивании деловой древесины (для производства балок, досок и мебельных заготовок). Таким образом, щепа является результатом обычной эксплуатации лесного хозяйства. Древесина измельчается в специальных рубительных машинах (чипперах). Размер и вид щепы зависит от конкретной машины, однако типичная щепа имеет от 2 до 5 см в длину и 1 см в толщину. Влажность свежей щепы составляет около 50 % (весовых) и значительно уменьшается в процессе сушки. Во многих странах, например, Дании, щепа производится для сжигания на станциях централизованного теплоснабжения. Щепа обычно доставляется автомобильным транспортом, поэтому станции ЦТ, оборудованные автоматическими котлами, должны иметь крытые хранилища объемом не менее 20 м³. [3-43].

Рис. 3–6. Рубильная машина [3-43]

Рис. 3–7. Древесные брикеты

В табл. 3–1 представлены сравнительные данные по разным видам топлива для односемейного дома площадью 150 м² (тепловая нагрузка 12 кВт) в Австрии. [3-43].

Таблица. 3-1

Сравнительные данные по разным видам топлива для односемейного дома площадью 150 м².

З.7.1.5. Энергетические леса

Выращивание быстрорастущих культур (эвкалипт, тополь, ива и другие); годовой урожай может составлять около 7 т/га. Крупнейшая в Европе электростанция, работающая на древесной биомассе (Зиммеринг, Австрия). Мощность электростанции 66 МВт. Электростанция ежегодно потребляет 190 тысяч тонн биомассы, собираемой в радиусе 100 км от станции. Выход электроэнергии с 1 га энергетического леса составит 21500 кВт. ч. [3-44]

Если занять посадками 1 млн. га Мирового Земельного Ресурса (МЗР), потенциальный выход электроэнергии составит 21,5 млрд. кВт. ч. Торф. Ежегодный прирост запасов торфа в мире ок. 500 млн. тонн – это ресурс для производства 14.5 ЭДж электроэнергии в год.

Слоновья трава, Miscanthus giganteus.

Урожай биомассы до 60 т/га Выход электроэнергии с 1 га мискантуса составит 180 тыс. кВт. ч Если занять под мискантус 1 млн. га МЗР, потенциальный выход электроэнергии составит 180 млрд. кВт.ч

З.7.1.6. Переработка мусора.

Свалочный газ из твердых бытовых отходов (ТБО) Количество ТБО на планете – более 1 млрд… тонн в год. Эмиссия метана достигает уровня 70 млн. т/год. Технология газификации твердых бытовых и промышленных отходов (ТБПО) позволяет получать из 1 т ТБПО 2,23 МВт электроэнергии.

3.7.2. Жидкое биотопливо

Биоэтанол – получают переработкой растительного сырья и используют как биотопливо. Существует 2 основных способа получения этанола – микробио-логический (спиртовое брожение) и синтетический (гидратация этилена). Следствием брожения является раствор, содержащий не более 15 % этанола. В промышленных масштабах этиловый спирт получают из сырья, содержащего крахмал/целлюлозу (древесина, солома), которую предварительно гидролизуют. Смесь, образовавшаяся при этом, подвергают спиртовом брожению. [3-45].

Производство жидкого биотоплива в мире возросло с 16 млрд. л в 2000 году до 100 млрд. л в 2010 году. Сегодня жидкое биотопливо составляют около 3 % всего топлива для транспорта. В Бразилии в 2008 году доля использования биотоплива в транспортной сфере составила около 21 %, в США – 4 %, в ЕС – 3 %.

По оценкам МЭА к 2050 году доля биотоплива в транспортной сфере может увеличиться до 750 млн. т. н. э. (по сравнению с текущим уровнем в 55 млн. т. н. э.) и составить 27 % всего транспортного топлива, позволяя уменьшить объемы выбросов транспорта на 20 % и сократить мировую зависимость от ископаемых видов топлива[3-42].

Потенциальный выход биоэтанола из соломы ок. 300 млн. т/год.

Топинамбур Урожай: клубни – 30 т/га, зеленая масса – 40 т/га Выход этанола из клубней 100 л/т, из зел. массы – 70 л/т

Этанол по сравнению с бензином является менее «энергонасыщенным» источником энергии. Пробег машин, работающих на Е85 (смесь 85 % этанола и 15 % бензина; буква «Е» от английского Ethanol), на единицу объема топлива составляет около 75 % от пробега стандартных машин… [3-45]. Серьезным недостатком биоэтанола является то, что при сгорании этанола в выхлопных газах двигателей появляются альдегиды (формальдегид и ацетальдегид), которые наносят живым организмам не меньший ущерб, чем ароматические углеводороды.

З.7.2.1.Использование биоэтанола

Солома (пшеницы, риса, ржи) мировое производство 1255 млн. т/год 1 т соломы дает 250 л биоэтанола. В мире биоэтанол получают, в основном, из злаковых культур, кукурузы, сахарного тростника и сахарной свеклы. Из всего произведенного этанола 80 % имеет топливное применение, 12 % – техническое и 8 % – пищевое. В 2009 году производство этанола в мире составило 76 млрд. литров (рост на 10 % по сравнению с 2008 г., на 400 % по сравнению с 2000 г.). В 2009 г. ведущие места по производству этанола заняли США, Бразилия и ЕС. При этом на долю США (40,1 млрд. литров – 54 %) и Бразилии (24,9 млрд. литров – 34 %) пришлось около 88 % мирового производства этанола. Общее производства этанола странами ЕС составило 3,7 млрд. литров (5 % мирового производства). Юго-восточная Азия, особенно Китай, Таиланд и Индия в ближайшие годы представляют один из самых больших потенциалов в мире – 2,8 млрд. литров (3,8 % мирового производства). Китай в 2009 г. произвел 2 млрд. литров этанола (2,7 % мирового производства) и занял 4 строчку мирового рейтинга. Также производство этанола развито в Канаде (1,8 %), Таиланде (0,5 %), Индии (0,5 %), Колумбии (0,4 %), Австралии (0,2 %).

Международное энергетическое агентство (МЭА) оценивает мировое замещение этанолом более 1 млн. баррелей нефтяного спроса в день.[3-42].

3.7.2.3.Биометанол

Вид жидкого биотоплива на основе метилового (древесного) спирта, получаемого путем сухой перегонки отходов древесины и конверсией метана из биогаза. Производство биомассы может осуществляться путем культивирования фитопланктона в искусственных водоемах, создаваемых на морском побережье. Вторичные процессы представляют собой метановое брожение биомассы и последующее гидроксилирование метана с получением метанола. [3-45].

Несмотря на высокое октановое число – более 100, теплотворная способность метанола вдвое меньше, чем у бензина. Это, а также недостаточная летучесть чистого спирта, объясняет необходимость смешивания метанола с бензином. Стандартом является биометанол М85 (буква «М» от англ. Methanol), содержащий 85 % метилового спирта и 15 % бензина.

Биометанол М85 не получил распространение как вследствие низкого энергосодержание, так и через исключительную коррозионную активность метанола, которая требует применения специальных материалов.

С точки зрения получения энергии данная биосистема имеет существенные экономические преимущества по сравнению с другими способами преобразования солнечной энергии. [3-45].

3.7.2.4. Биобутанол

C₄H₁₀O – бутиловый спирт. Бесцветная жидкость с характерным запахом. Широко используется в промышленности. Производство бутанола началось в начале XX века. В 50-х годах из-за падения цен на нефть бутанол начали изготовлять из нефтепродуктов. [3-45].

Бутанол не обладает коррозионными свойствами, может передаваться существующей инфраструктурой. Может, но не обязательно должен, смешиваться с традиционным топливом. Энергоемкость бутанола близка к энергоемкости бензина. Бутанол может использоваться в топливных элементах, а также как сырье для производства водорода.

Сырьем для производства биобутанола могут быть сахарный тростник, свекла, кукуруза, пшеница, а в будущем и целлюлоза.

3.7.2.4. Диметиловый эфир (ДМЭ)

C₂H₆O может производиться как из угля, природного газа, так и из биомассы. Большое количество диметилового эфира производится из отходов целлюлозно-бумажного производства. Сжижается при небольшом давлении. [3-45]. ДМЭ – экологически чистое топливо без содержания серы, содержание оксидов азота в выхлопных газах на 90 % меньше, чем в бензине. Применение диметилового эфира не требует специальных фильтров, но необходима переделка систем питания (установка газобаллонного оборудования, корректировка смесеобразования) и зажигания двигателя. Без переработки возможно применение на автомобилях с LPG-двигателями при 30 % содержании в топливе.

3.7.2.5.Биодизель

Топливо на основе жиров животного, растительного и микробного происхождения, а также продуктов их этерификации. [3-45]. Для получения биодизельного топлива используются растительные или животные жиры. Сырьем могут быть рапсовое, соевое, пальмовое, кокосовое масло, или любое другое масло-сырец, а также отходы пищевой промышленности. Разрабатываются технологии производства биодизеля из водорослей.

Биодизельное топливо – это экологически чистый вид топлива, альтернативный по отношению к минеральным видам, получаемый из растительных масел, и используемый для замены (экономии) обычного дизельного топлива, это полностью сгорающее альтернативное топливо, которое производится из растительных материалов или биомассы, такой как сахарный тростник или пальмовое масло. Оно может использоваться в дизельных двигателях или смешиваться с обычным дизельным топливом. Сырьем для производства биодизеля могут быть различные растительные масла: рапсовое. Соевое, арахисовое, пальмовое, отработанные подсолнечное и оливковое масла (использованные, например, при приготовлении пищи), а также животные жиры. С химической точки зрения биодизель представляет собой метиловый эфир. При его производстве, в процессе этерификации, масла и жиры вступают в реакцию с метиловым спиртом и гидроксидом натрия, служащим катализатором, в результате чего образуются жирные кислоты, а также побочные продукты: глицерин и другие. [46]. Биодизель может использоваться в обычных двигателях внутреннего сгорания, как самостоятельно, так и в смеси с обычным дизтопливом, без внесения изменений в конструкцию двигателя.

Обладая примерно одинаковым с минеральным дизельным топливом энергетическим потенциалом, биодизель имеет ряд существенных преимуществ:

• он не токсичен, практически не содержит серы и канцерогенного бензола;

• разлагается в естественных условиях (примерно так же, как сахар);

• обеспечивает значительное снижение вредных выбросов в атмосферу при сжигании, как в двигателях внутреннего сгорания, так и в технологических агрегатах;

• увеличивает октановое число топлива и его смазывающую способность, что существенно увеличивает ресурс двигателя;

• имеет высокую температуру воспламенения (более 100 °C), что делает его использование относительно безопасным;

• его источником являются возобновляемые ресурсы; производство биодизеля легко организовать, в т. ч. в условиях небольшого фермерского хозяйства, при этом используется недорогое оборудование.

По прогнозу Международного Энергетического Агентства, к 2020 году мировое производство биотоплива, как минимум, учетверится и достигнет 120 миллиардов литров в год. К 2010 году мировой автопром выпустит, как минимум, 2 млн. единиц автомобилей, способных работать на спирте и биодизельном топливе.[3-46].

3.7.2.6. Производство биодизеля

Производство биодизеля менее сконцентрировано, чем производство этанола: в 2009 г. на 10 стран приходилось около 77 % мирового производства. В 2009 г. производство биодизеля в мире составило

16,6 млрд. литров (рост на 9 % по сравнению с 2008 г.). В 2009 г. ведущие места по производству биодизеля заняли Германия, Франция и США [3-42]. Камелина (рыжик, рыжей) масличная однолетняя трава Camelina sativa, может расти в засушливых местах, предгорьях, нижнегорный пояс. Выход масла с 1 га 490 кг (583 л). Если занять под камелину 1 млн. га неудобий из МЗР – потенциальный выход биодизеля составит 0,5 млн. т. [3-44].

Ятрофа – Jatrofa curcas – засухоустойчивый кустарник, семена содержат до 40 % масла, потенциал разведения – огромные пространства полузасушливых земель в Индии, Китае, Австралии, Африке (от Марокко до ЮАР). Ятрофа – представитель второго поколения энергетических организмов, т. е. не имеющих пищевого значения. В Индии ятрофой может быть засеяно 30 млн. га, потенциал производства биодизеля 60 млн т. В январе 2008 года в китайской провинции Гуанси стартовала программа под названием «1 миллион му биоэнергетических лесов» 1 млн. му равен примерно 69000 га. На этой площади будет высажена ятрофа. Всего в Китае 212 миллионов гектаров маргинальных земель, на которых могут выращиваться биоэнергетические культуры. Если занять под ятрофу 200 млн. га неудобий, то только в Китае потенциальное производство биодизеля составит 400 млн. т в год.[3-44]. Производство биотоплив (этанол и биодизель) в 2007 г. достигло 53 млрд. литров, что составляет около 4 % от ежегодного мирового потребления бензина. Темпы роста производства биодизеля > 50 % в год;

Таблица. 3-2

Производство биотоплива в 2008 г. [3-44]

3.7.3. Газообразное топлив

3.7.3.I. Биогаз

Среди биотехнологий, применяемых для производства топлив и энергии, важное место занимают биогазовые технологии. Интенсивное их внедрение в развитых и развивающихся странах, повышение эффективности и рентабельности внесли значительные изменения в переориентировку этих технологий от только энергетических к экологическим и агрохимическим (производство удобрений), особенно при переработке разнообразных органических отходов. Очевидно, это является решающей альтернативой для получения биогаза.

БИОГАЗ – 55–75 % метана, 25–45 % СО₂ – получается метановым брожением биомассы (80–90 % влажности). Его теплотворная способность составляет от 5 тысяч до 7 тысяч ккал на нормальный кубический метр и зависит от концентрации метана в его составе. Количество метана, в свою очередь, зависит от биофизикохимических особенностей сырья и в некоторых случаях от применяемой технологии. Выход биогаза на одну тонну абсолютно сухого вещества составляет: 250–350 куб. м для отходов крупного рогатого скота, 400 куб. м – для отходов птицеводства, 300–600 куб. м для различных видов растений, до 600 куб. м – для отходов (барды) спиртовых и ацетоно-бутиловых заводов.

Сырьё для получения. Перечень органических отходов, пригодных для производства биогаза: навоз, помет, зерновая и мелёная после спиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов – соленая и сладкая молочная сыворотка, отходы производства биодизеля – технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков – жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки – мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов – очистки, шкурки, гнилые клубни, кофейная пульпа. [3-37].

Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества.

Различают теоретический (физически возможный) и технически-реализуемый выход газа. В 1950-70-х годах технически возможный выход газа составлял всего 20–30 % от теоретического. Сегодня применение энзимов, бустеров для искусственной деградации сырья (например, ультразвуковых или жидкостных кавитаторов) и других приспособлений позволяет увеличивать выход биогаза на самой обычно установке с 60 % до 95 %. В биогазовых расчётах используется понятие сухого вещества (СВ или английское TS) или сухого остатка (СО). Вода, содержащаяся в биомассе, не даёт газа. На практике из 1 кг сухого вещества получают от 300 до 500 литров биогаза.

Чтобы посчитать выход биогаза из конкретного сырья, необходимо провести лабораторные испытания или посмотреть справочные данные и определить содержание жиров, белков и углеводов. При определении последних важно узнать процентное содержание быстрораз-лагаемых (фруктоза, сахар, сахароза, крахмал) и трудноразлагаемых веществ (например, целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин). Определив содержание веществ, можно вычислить выход газа для каждого вещества по отдельности и затем сложить.

Раньше, когда не было науки о биогазе и биогаз ассоциировался с навозом, применяли понятие «животной единицы». Сегодня, когда биогаз научились получать из произвольного органического сырья, это понятие отошло и перестало использоваться. Кроме отходов биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например, из силосной кукурузы или сильфид, а также водорослей. Выход газа может достигать до 500 м³ из 1 тонны.

В мире наблюдается рост использования биогаза для производства тепла и электроэнергии. Рынок биогаза на сегодняшний момент наиболее развит в странах ОЭСР, что объясняется тем, что именно развитые страны первыми внедрили программы перехода к альтернативным источникам энергии и планомерно поддерживали инициативы, направленные на внедрение новых технологий. В 2008 г. в странах ОЭСР производство электроэнергии с использованием биогаза составило около 30 ТВт-ч.

Лидером по производству биогаза является ЕС. С 1987 по 1995 годы в Европе построено более 150 биогазовых установок и станций [42]. В настоящее время европейский рынок биогазовых установок оценивается в 2 млрд. долларов США, по прогнозам он должен вырасти до 25 млрд. к 2020 году. В Европе 75 % биогаза производится из отходов сельского хозяйства, 17 % – из органических отходов частных домохозяйств и предприятий, еще 8 % – из отходов сточных вод (установки в канализационно-очистных сооружениях). Первое место по количеству действующих биогазовых заводов принадлежит Германии – в 2010 году их насчитывается более 9 000. Только 7 % производимого данными предприятиями биогаза поступает в газопроводы, остальное – используется для собственных нужд производителя. В 2007 г. объем электроэнергии, производимого с помощью биогаза, составил около 2,9 ТВт-ч. В перспективе 10–20 % используемого в стране природного газа может быть заменено биогазом.[42].

В 2001 году в мире было введено в эксплуатацию более 1000 биогазовых установок и станций, из них – 45 % в Европе, 15 % – в США, затем идет Бразилии и другие страны (Китай, Индия и т. д.)

С точки зрения масштабов применения биогаза лидирует Дания. Среди других европейских стран с высокими темпами развития рынка биогаза стоит выделить Великобританию, Швецию, Норвегию, Италию, Францию, Испанию, Польшу и Украину.

В США действует всего около 200 биогазовых заводов, работающих на сельскохозяйственных отходах. При этом в США довольно высокий уровень утилизации биогаза свалок – около 50 %, биогаза сточных вод – около 10 %.

В последние годы эти технологии были детально оценены в Дании, которая стала первой страной, успешно продемонстрировавшей коммерческие биогазовые заводы по переработке отходов животноводства и других сельскохозяйственных отходов для получения тепловой и электрической энергии.

В Дании вклад биогаза в энергетический баланс страны составляет 20 %.

Значительная часть производимого биогаза используется для получения электрической энергии с к.п.д. 31 %, производительность по электроэнергии на 1 тонну перерабатываемых отходов варьирует от 48 до 104 кВт час.

Рис. 3–8. компания Lemvig Biogas стала самой крупной установкой по производству биогаза в Дании.[3-30].

Энергоемкость всего производимого в 2011 г. в Дании биогаза – 4.1 РДж или 1 млн. ту.т./год. [3-31] 46 % централизованных станций, 27 % фермерских станций.

Сельскохозяйственные биогазовые станции перерабатывают: 2.5 млн. т навоза или 5 % от общего объема навоза, 0.5 млн. т органических отходов.

В Дании эксплуатируются: 22 централизованных биогазовых станций мощностью от одного до 4.5 МВт и 60 фермерских мощностью от 0.25 до одного МВт.

Общее число биогазовых станций 172, из них – 60 индивидуальных фермерских, 21 большие кооперативные, 61 станция перерабатывает сточные воды, 25– на мусорных полигонах с получением лендфилл-газа и 5 станций крупных индустритальных компаний. [3-31].

Для генерации тепла и энергии используется навозная жижа из примерно 75 ферм, а также отходы и остаточные продукты из промышленного производства Это способствует формированию здоровой экономики, как для установки, так и для бытового потребления тепла. Кроме того, следует выделить связанные с этим дополнительные преимущества такие, как уменьшение загрязнения окружающей среды и снижение выбросов парниковых газов. Каждый год из производимого биогаза генерируется более 21 миллиона кВт. ч Это электричество продается местной сети электроснабжений. Избыточное тепло из системы охлаждения газового двигателя превышает 18 миллиона кВт. ч. в год. Это тепло распределяется между пользователями центральной котельной Lemvig. Количество пользователей составляет более 1000 домов. Установка для производства биогаза была построена под ключ компанией BWSC [3-29].

Рис. 3–9. Расположение биогазовых установок в Дании. Красные точки– общие кустовые фермерские биогазовые станции (22), синие-отдельные фермерские биогазовые станции [3-30].

Рис. 3-10. Компания Lemvig Biogas может принимать грузы органических отходов от 200 до 10 000 тонн за один раз либо в порту Лемвиг (максимальная осадка 4 м), либо в порту Тюборон (макс. осадка 8,5 м).[3-29].

Дания – мировой лидер в индустриальном производстве биогаза. Доля ВИЭ, как ожидают, к 2035 г. увеличится до 35 %. Наряду с другими возобновляемыми источниками энергии правительство Дании представляет налоговые льготы и для производителей биогаза, т. е. около 20 % капитальных инвестиций для централизованного биогаза и 30 % для индивидуальных станций или установок [3-25].

В течение последних 10 лет наибольшее внимание в этой стране уделялось строительству больших централизованных биогазовых заводов, которые занимаются переработкой отходов животноводства и птицеводства, создающих серьезные экологические проблемы в некоторых районах. В 1996 г. в эксплуатации находилось 18 централизованных биогазовых заводов, способных ежегодно обрабатывать 1,2 млн т биомассы (75 % отходов), давая от 40 до 45 млн м³ биогаза, что эквивалентно 24 млн. м³ природного газа (в среднем 37,5 м³ биогаза на 1 т отходов). [3-13].

Большие количества биогаза производятся главным образом при перереработке твердых бытовых отходов городов: в США – эквивалентно 93–10.15 Дж, Германии -14 10¹⁵, Японии – 6 • 10¹⁵, Швеции – 5 • 10¹⁵ Дж [22]. В Индии, как и в Китае, основной упор сделан на семейные и общинные биогазовые установки – в 1993 г. их было около 1 850 тыс. Однако они требуют первоначальных относительно высоких инвестиций и поэтому не всегда доступны индийским крестьянам. Только в тех случаях, когда нет других источников биомассы, биогаз становится важным источником энергии [3-24].

Основные положения национальной программы Индии по развитию биогазовых технологий включают в себя:

1. снабжение чистой энергией для приготовления пищи;

2. получение органических удобрений, обогащенных элементами химических удобрений;

3. повышение уровня жизни крестьян;

4. улучшение санитарно-гигиенических условий быта и работы [3-25]. Политическая тенденция – поддерживать строительство биогазовых станций большой производительности.

Китай известен своей сельской программой создания крестьянских биогазовых установок. С 50-х годов ХХ века было установлено более 35 миллионов крестьянских домашних биогазовых реакторов с ежегодным выходом биогаза 26.5 млрд. м³. Цель разработки составляет создание до 80 миллионов единиц к 2020 году, в том числе в климатически холодных регионах в северных районах Китая. [26, 37, 56].

Индия имела в 1983 г. 58 тыс. семейных установок, планирует к 1985 г. построить до 400 тыс. установок такого типа.

В странах ЕЭС в 1978 г. была 41 установка, в 1983 г. – 571 установка, работающие на жидких отходах, и 17 установок, перерабатывающих в биогаз (до 100 млн. м³ в год) городской твердый мусор.

В США широкое распространение получили крупные биогазовые установки по переработке городского твердого мусора со средней мощностью до 100 млн. м³ биогаза в год.

Значительная часть производимого биогаза используется для получения электрической энергии с к.п.д. 31 %, производительность по электроэнергии варьирует от 48 до 104 кВт час на 1 тонну перерабатываемого сырья, как правило, органических отходов. [3-27].

К производству биогаза относится также получение ЛЕНДФИЛЛ – ГАЗА, или биогаза – из мусорных свалок [3-28]. В настоящее время во многих странах создаются специальные инженерно обустроенные хранилища для твердых бытовых отходов с целью извлечения из них биогаза, используемого для производства электрической и тепловой энергии [23-8].

Таблица 3-3

Количество различных типов энергооборудования в мире по использованию лэндфиллгаза

Рис. 3-11. Лэндфилл-газ завод в местечке Сэиксаль, Португалия.[3-26].

Общий объем переработки ТБО – 4 млн. тонн/год, газ используется для электростанции мощностью 2 МВт.

В США к 2002 году находилось в эксплуатации 350 заводов по производству лэндфилл-газа, в Европе – 750 заводов., всего в мире-1152, общее количество производимой энергии – 3929 МВт, количество обрабатываемых отходов – 4548 млн. тонн, общая скорость (мировая) выделения лэндфилл-газа – 1.6 млн. куб. м в час.

Рис. 3-12. Электростанция из 13 модулей, использующая лэндфилл-газ в Местечеке Мон-Сант-Гуиберт, Бельгия (Переработка 300 тысяч тонн ТБО в год, мощность электростанции 9.5 МВт, мощность модуля -700 кВт. Скорость поступления лэндфилл-газа (50 % метана) – 5500куб. м/час)[3-26].

Биогаз дает 8 % электрической энергии, произведенной из возобновляемого сырья в США (данные 2006 г.). лендфилл-газ в 2005 г. составлял 24 % от всего количества метана (его производили более 350 заводов). Больше всего биогазовых фермерских установок находится в Калифорнии, Пенсильвании, Висконсине и Нью-Йорке. Приведенные данные свидетельствуют о широкомасштабной поддержке производства биогаза в США.[3-32].

Достижения различных стран – развитых и развивающихся– в области производства и потребления биотоплив представляют значительный интерес как для решения локальных энергетических проблем в современной России, так и для выхода России в качестве крупного поставщики биотоплив на мировой и европейские рынки.

В африканских странах сегодня работает 2 млн. биогазовых предприятий, которые обеспечивают газом около 10 млн. человек. 80 % твердого остатка, образуемого в результате работы установок идет на удобрения. По расчетам экспертов, емкость биогазового рынка в Африке – 20 млн. установок [3-42].

Таблица. 3-4

Оценочная стоимость биотоплива в Штате Айова (США)[3-26]

Производство биогаза из отходов животноводства и растениеводства. Навоз к.р.с. (1,3 млрд. голов) общее количество 9,5 млрд. т в год. Потенциальный выход биогаза ок. 570 млрд. куб. м/год – эквивалентно 1.1трлн. кВт. ч Из навоза свиней и помета птиц можно получить еще 70 млрд. куб. м биогаза, эквивалентных 140 млрд. кВт. ч При производстве биогаза параллельно получается высококачественное органическое удобрение (на два порядка эффективнее навоза). Потенциальный выход органического удобрения 11,2 млрд. т в год.

В мире работают сотни больших биогазовых заводов, перерабатывающих навоз. В Германии их 500 (сырьем служит смесь из 70 % коровяка и 30 % птичьих фекалий), в США создан крупный биогазовый завод, на котором утилизируется навоз от 115 тыс. коров! Этот опыт, несомненно, полезен для России, где вновь начато строительство крупных животноводческих комплексов, навоз которых пока накапливается в хранилищах.

В Швеции, которая сегодня стала лидером по использованию нетрадиционной энергетики в ЕС, биогаз получают из отходов мясокомбинатов (внутренностей животных). Даже курсирует особый поезд, работающий на сжиженном биогазе. Биогаза, полученного при переработке внутренностей одной коровы, достаточно, чтобы поезд проехал 4 км. [3-37].

В нашем климате для того, чтобы успешно протекал биохимический процесс, метантенк нужно подогревать. В Мурманской области

работают две крупных биогазовых установки с реакторами объемом в 50 м³.

Близок к биогазу свалочный газ, который вырабатывается в толщах гигантских «метантенков» – старых городских свалок и добывается оттуда через скважины примерно так же, как природный газ. Биогаз – газ, получаемый метановым брожением биомассы. Разложение биомассы происходит под воздействием трёх групп бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид – бактерии гидролизные, второй – кислотообразующие, третий – метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида.

3.7.3.2. Биоводород

Биоводород – водород, полученный из биомассы термохимическим, биохимическим или другим способом, например водорослями.

В настоящее время во всём мире ежегодно производится около 50 млн тонн водорода. Из них примерно 48 % производится из природного газа, 30 % из нефти, и 18 % из угля. При производстве водорода из углеводородов получается большое количество CO₂, который является одной из причин глобального потепления. К тому же не все страны обладают собственными углеводородами. Решением этих проблем может стать производство водорода из биомассы.

Термохимический метод При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500–800 °C (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, СО и CH4. Себестоимость процесса $5–7 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до $1,0–3,0. [3-37].

Биохимический метод В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes, Enterobacter cloacae. Возможно применение различных ферментов для ускорения производства водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), содержащихся в биомассе. Процесс проходит при температуре 30 °C и нормальном давлении. Себестоимость водорода около $2 за кг.

Биофотолиз Учёные калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) 1999 году обнаружили, что если водорослям не хватает кислорода и серы, то процессы фотосинтеза у них резко ослабевают и начинается бурная выработка водорода. Водород может производить группа зелёных водорослей, например, Chlamydomonas reinhardtii. Водоросли могут производить водород из морской воды, или канализационных стоков.

3.7.4. Синтез-газ

Синтез-газ (сингаз), смесь газов, главными компонентами которой являются монооксид углерода СО и водород Н2, которую можно получать в процессе термической обработки биомассы с использованием различных технологий. В настоящее время известно о нескольких инициативах по реализации проектов в области производства синтез-газа в некоторых странах, например в США, Европе, Японии, Австралии и Индии [3-37].

3.8. Биотоплива третьего поколения

Топливо, полученное из водорослей. Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи электростанций. Сбросного тепла ТЭЦ способно покрыть до 77 % потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей. Эта технология не требует жаркого тропического климата.[3-41].

Микроводоросли – сырье для производства биодизеля, биоэтанола и биоводорода.

Испанская фирма Bio-Fuel-Sistems (BFS): из одного кг пасты водорослей можно получить 5700 ккал топлива. Англо-голландский нефтеконцерн Royal Dutch Shell на Гавайях. Водоросли выращивают в прудах-накопителях сточных вод, продуктивность по выходу масла с гектара в 15 раз больше чем при производстве пальмового мала.

Компания «БиодизельДнипро», взяв за основу водоросли «Ботриокопкус брауний», разработала новый метод получения большого количества водорослевой биомассы в краткие сроки и нашла способ получения углеводородов близких по своим качествам к природной нефти и пригодной для изготовления транспортного топлива.[3-47].

Технология разработанная компанией имеет следующие преимущества: углекислый газ, выделяемый при каталитическом крекинге, подается в биореакторы и не попадает в атмосферу. В них он перерабатывается водорослями и полностью утилизируется с выделением кислорода. После отжима от воды и смешивания с катализатором полученная углеводно-водорослевая биомасса поддается биокаталитическому крекингу. Во время этого процесса выделяется CO₂, но он тоже направляется к биореакторам, поэтому все выбросы углекислого газа поглощаются водорослями (одна тонна преобразует 2 тонны вредной для окружающей среды субстанции).

В мире все больше ученых концентрируются на производстве биотоплива третьего поколения из водорослей.

Количество лабораторий, занимающихся проблемами производства биотоплива из водорослей в мире выросло в несколько сотен раз. Если в 2006 году этой проблемой занималось около 10 лабораторий во всем мире, то в 2009 число институтов, изучающих эту проблемы перевалило за 200. Инвестиции в этот сектор достигли почти 4 млрд долларов США. [3-48]. Водоросли представляют собой непищевую биомассу, поэтому ее использование для производства топлив не представляет угрозы продовольственной безопасности. Биотоплива третьего поколения можно выращивать промышленно в биореакторах или фотобиореакторах, освещаемых как естественным, так и искусственными источниками света, либо в открытых резервуарах на некультивируемых почвах, включая пустыни. Основные преимущества водорослей, как источника высокоэнергетически насыщенной биомассы, по мнению экспертов, состоит в том, что они растут в 20–30 раз быстрее наземных растений (некоторые виды могут удваивать свою массу несколько раз в сутки), а также производят в 15-100 раз больше масла с гектара, чем альтернативные рапс, пальмовое масло, соя или ятрофа.

3.9. Получение моторных топлив из газов газификации растительной биомассы

Топлива из биомассы не содержат серу. Топлива получаются из газов газификации биомассы воздухом при невысоком давлении и температуре… В настоящее время энергетические потребности мира составляют ~ 11–12 млрд. т условного топлива (у. т.) и удовлетворяются за счет нефти и газа на 58–60 %, угля – на 30 %, гидро– и атомной энергии – на 10–12 %. В качестве источника энергии используется также растительная биомасса (дрова и др.) – порядка 1 млрд. т у.т., или 0,7 млрд. т нефтяного эквивалента (н. э.), что составляет почти четвертую часть из добычи и потребления нефти в мире (~3 млрд. т). Потребность в нефти и других видах современной энергии, вероятно, будет увеличиваться и одновременно будут усовершенствоваться методы энергетического использования растительной биомассы (помимо прямого сжигания). Применение возобновляемой растительной биомассы для производства моторных топлив целесообразно и даже необходимо в связи с ограниченностью запасов нефти. По данным XIII Нефтяного конгресса (1991 г.), разведанные запасы нефти в мире оцениваются в 140–145 млрд. т (160 млрд. м³), которых при современном потреблении нефти в мире может хватить на 35–45 лет. По отдельным регионам проблемы с запасами нефти стоят более остро: 76 % запасов находится на Ближнем и Среднем Востоке, в Латинской Америке. На остальные регионы остаестся 24 %, из которых 6–7% приходится на СНГ. Учитывая уровень добычи нефти в 1990 г., этих запасов может хватить на 1518 лет. Потребность нефти в Российской Федерации – 270–300 млн. т, в целом по СНГ – 450 млн. т (для сравнения – США потребляют около 800 млн. т нефти). В дальнейшем потребление нефти в мире будет возрастать, поэтому, учитывая дефицит нефти, необходимо развивать новые пути получения жидких моторных топлив. [3-49].

3.10. Биотопливо – плюсы и минусы

Энергетический бюджет мира углеродный: за счет нефти, угля и газа более 70 % производимой энергии. Это вдвойне опасно, поскольку не только ведет к повышению концентрации диоксида углерода в атмосфере, но и чревато истощением источников энергии. Мировое сообщество предпринимает активные попытки снизить зависимость энергетики от ископаемого топлива. Одно из новых направлений развития современной энергетики – использование биотоплива. [3-50].

Критика. Растущий спрос на биотопливо вынуждает сельхозпроизводителей сокращать посевные площади под продовольственными культурами и перераспределять их в пользу топливных.

Но такие заявления противников биотоплив не совсем корректны.

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. То есть производство биотоплива создаёт ещё одну стадию переработки сельскохозяйственного сырья

По расчётам экономистов из Университета Миннесоты, в результате биотопливного бума число голодающих на планете к 2025 году возрастёт до 1,2 млрд. человек. Но, продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (FAO) в своем отчете за 2005 г. говорит о том, что рост потребления биотоплив может помочь диверсифицировать сельскохозяйственную и лесную деятельность, и улучшить безопасность пищевых продуктов, способствуя экономическому развитию. Производство биотоплив позволит создать в развивающихся странах новые рабочие места, снизить зависимость развивающихся стран от импорта нефти. Кроме этого производство биотоплив позволит вовлечь в оборот ныне не используемые земли. Например, в Мозамбике сельское хозяйство ведётся на 4,3 млн га из 63,5 млн га потенциально пригодных земель.

Распространение. По оценкам Worldwatch Institute 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. [3-50].

Экономический эффект. По оценкам Merrill Lynch прекращение производства биотоплив приведёт к росту цен на нефть и бензин на 15 %. По оценкам Стэндфордского университета во всём мире из сельскохозяйственного оборота выведено 385 – 472 миллиона гектаров земли. Выращивание на этих землях сырья для производства биотоплив позволит увеличить долю биотоплив до 8 % в мировом энергетическом балансе. На транспорте доля биотоплив может составить от 10 % до 25 %. Производство биотоплива из продовольственного сырья недопустимо, получать его нужно из любых органических отходов и древесины быстрорастущих пород. [3-50]

Существуют три основные проблемы в использовании биотоплива в качестве топлива для автомобильного транспорта:

1) Биотопливо должно быть произведено с минимальными выбросами CO₂ и других воздействий на окружающую среду.

2) Биотопливо должно быть «пригодным для целей» без экологических для транспортных средств оперативных последствий.

3) производство биотоплива не должно конкурировать с производством продовольствия.

В частности, компания Toyota изучает биотоплива второго поколения из древесины или соломы. Это обещает ряд преимуществ, среди которых не вызывает затруднений использования в существующих транспортных средств и перспектива еще большего сокращения выбросов парниковых газов.

Совместимость ДВС с применением Биотоплива [3-51]. Совместимость автомобилей марки Toyota и Lexus, произведенных для европейского рынка с использованием смеси биотоплива:

Бензин (статус июля 2010 года) Toyota: Все европейские модели с января 1998 года могут использовать бензин с более 10 % этанола (E10), за исключением следующих моделей:

Avensis 2.0 L с двигателем 1AZ-FSE сделаны в период с июля 2000 года по октябрь 2008 года;

Avensis 2.4 L с двигателем 2AZ-FSE между июне 2003 года и октябре 2008 года. Lexus: Все европейские модели с января 1998 года могут использовать бензин с 10 % этанола (E10), за исключением следующих моделей:

IS250 2.5 L V6 с двигателем 4GR-FSE сделаны в период с августа 2005 года по сентябрь 2007 года;

GS300 3.0 L V6 с двигателем 3GR-FSE период с января 2005 года по сентябрь 2007 года, и

LS460 4.6 L V8 с двигателем 1UR-FSE между августом 2006 года и сентябре 2007 года.

Все бензиновые автомобили Toyota и Lexus, которые не совместимы с E10 могут использовать бензин с 5 % этанола (E5).

DIESEL (по состоянию на июль 2010 г.) Все европейские дизельные модели Toyota и Lexus совместимы с B7 Европейского стандарта EN590: 2009.

Директива 2003/30/EC Европейского Парламента и Совета от 8 мая 2003 года о продвижении использования биотоплива и других возобновляемых видов топлива для транспорта. [3-52].

16/10/2007 Директива требует, чтобы государства члены приняли законодательство и необходимые меры для обеспечения того, чтобы биотопливо (жидкое или газообразное топливо, используемое для транспортировки и производимый из биомассы, то есть биологически разлагаемые отходы и остатки, например, сельское и лесное хозяйство) в минимальных долях от проданного топлива на своей территории использовалось.

В контексте устойчивого развития в Европе и в Зеленой книге "На пути к европейской стратегии энергетической безопасности", Комиссия предлагает подлинный план действий, направленный на увеличение доли биотоплива до более чем 20 % европейского бензина и дизельного топлива для потребление в 2020 году.

По прогнозам в Зеленой книге, транспортный сектор будет расти примерно на 2 % в год в течение ближайшего десятилетия. Тем не менее, более широкого использования биотоплива на транспорте является частью пакета мер, необходимых для соблюдения Киотского протокола.

Конечной целью является снизить зависимость от использования нефтяного топлива, которое является существенной причиной для беспокойства для Европейского Союза (ЕС) в отношении окружающей среды и безопасность поставок.

3.11. Термохимическая конверсия биомассы в топливо

Более подробно технологии переработки биомассы в топливо описаны в главе 4.

3.11.1. Прямое сжигание – древнейший, но наименее выгодный процесс с КПД получения тепловой энергии 15… 18 %.

3.11.2. Пиролиз термохимическая конверсия сырья без доступа воздуха при температуре 450…550 °C.

3.11.3. Газификация – сжигание биомассы при температуре 900… 1 500 °C в присутствии воздуха или кислорода и воды.

3.11.4. Сжижение – производство жидкого топлива из биомассы путем термической конверсии: термический пиролиз или газификация в присутствии катализаторов.

3.11.5. Быстрый пиролиз – биомасса в течение короткого времени подвергается воздействию экстремально высоких температур (700… 1 400 °C).,

3.11.6. Синтез – каталитический синтез метанола из газов, образующихся при термической конверсии биомассы.

3.12. Биотехнологии

К биотехнологиям относятся такие процессы, как: биогазовые технологии; производство этанола, бутанола, изобутанола; получение биодизельных топлив, жирных кислот, растительных углеводородов; производство биоводорода, получение тепловой энергии.

3.12.1. Биогазовые технологии. Биогаз – смесь метана и углекислого газа – продукт метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения

3.12.2. Производство этанола. Этанол, а также другие низшие спирты, альдегиды и кетоны – продукты спиртового брожения разнообразных сахаро– и крахмалосодержащих субстратов.

3.12.4. Биодизельное топливо имеет те же характеристики, что и обычные дизельные масла, которые могут использоваться в дизельных двигателях.

3.12.5. Получение тепловой энергии активным компостированием (микробное окисление). Использование этого метода для утилизации твердой биомассы и, прежде всего, твердых органических отходов также может внести существенный вклад в энергетику, в частности, в производство тепловой энергии.

Одна из особенностей решения этой проблемы в ХХI веке состоит в том, что энергопроизводство должно быть экологически чистым.

3.13. Вклад биомассы в мировое производство энергии

Таблица. 3-5

Прогноз роста скоростей вклада возобновляемых источников энергии в мировой энергетический баланс (%) [3–5]

Скорость прироста вклада биомассы в энергобаланс мира намного меньше, чем у других типов возобновляемых источников энергии. Но вклад биомассы в 2001 году составлял 1.1–1.2 млрд. тонн нефтяного эквивалента (н. э.) при общем вкладе всех ВИЭ – 1.36 млрд. тонн н. э. при общем производстве энергии в мире – 10 млрд. тонн н. э.

К 2040 году общее потребление энергии в мире прогнозируется на уровне 13.5 млрд. тонн н. э. (100 %), вклад всех ВИЭ к этому периоду – 47,7 % или 6.44 млрд. тонн н. э., тогда как вклад биомассы составит 23,8 % или 3.21 млрд. тонн н. э. [3–5].

В последние годы в опубликованных многочисленных глобальных энергетических сценариях была включена устойчивая роль возобновляемой энергетики для энергетической обеспеченности, и вклад биомассы для этих целей может составить:

от 59 до 145 х 10¹⁸дж к 2025 году и от 94 до 280 х 10¹⁸дж к 2050 г.

В 2003 году вклад биомассы в общий энергобаланс Европейского Союза (15 стран) составил 3,6 %, что несколько выше, чем все остальные возобновляемые источники энергии (3,4 %), но их доля различна: так, в Австрии она равна 12, в Швеции – 18, в Финляндии – 23 %.

К 2030 году этот вклад планируется увеличить до 19 % (27 стран ЕС). [3-53].

Таблица. 3-6

Рост вклада биомассы в общее потребление энергии в отдельных станах. [3–6]

Основные направления использования биомассы в целях энергетики Европейского Союза [7]:

1. Производство пеллет и древесной щепы (прямое сжигание).

2. Газификация и пиролиз («синтез»– газ или по– европейски – «син-газ»», метанол для транспорта).

3. Производство биоэтанола.

4. Производство биодизельного топлива.

6. Производство биоводорода.

7. Производство биогаза

Таблица. 3–7. Перспективы потребления биотоплив в Европе.

2000 – 0.9 млн. тонн нефт. экв./год

2005 – 5.0 «««

2010 – 17.0 «««

2020 – 37.0 «««

при стоимости 350–450 Евро за 1 тонну нефтяного эквивалента.

Большая часть накапливаемой биомассы, постепенно трансформируясь, главным образом, в результате сложных трофических (пищевых) связей, в конечном итоге окисляется до СО₂. По законам сохранения энергии этот процесс сопровождается выделением энергии, которая рассеивается в окружающую среду.

Глобальные экологические тенденции подталкивают к более совершенным и безопасным для здоровья человека способам производства, к уменьшению отходов, к уменьшению загрязнений от транспорта, к сохранению естественных ландшафтов и лесов, к рассредоточенному производству энергии и сокращению эмиссии парниковых газов [3–8].

Важная роль в решении этих проблем отводится производству и использованию биотоплив.

В 2000 году мировой рынок биотоплив оценивался в сумме 866 миллионов долл. США. В 2004 году он составил 1.28 млрд долл. И к 2013 году – 2.14 млрд. долл. США.

Прогнозируется, что во втором десятилетии в производство биотоплив будет инвестировано около 18 млрд. долл.

В развивающихся странах биомасса является главным источником энергии для многих ремесленников и малых производств: хлебопечение, пивоварение, текстильная мануфактура, производства табака, кофе, чая, копченостей, кирпича и т. п. Например, в Азии около 20 % регионов используют дрова в сельскохозяйственном производстве и при переработке сельхозпродуктов [3–9]. Древесный уголь применяется при производстве железа, стали, цемента и т. д.

В Бразилии для тяжелой промышленности требуется ежегодно свыше 6 млн т древесного угля. Здесь для получения топлива и энергии эффективно используется багасса. Оценка энергетического потенциала остатков багассы после обеспечения всей энергии, необходимой для сахарного производства и получения этанола, составляет 6 000 МВт. В 1995 г. имелось 12 заводов мощностью 114,8 МВт по производству спирта, использующих багассу. Несмотря на очевидную выгодность ее энергетического использования, в Бразилии имеются проблемы, уменьшающие масштабы применения последней: ограничения на использование частного капитала для развития промышленного производства электроэнергии; длительные сроки окупаемости оборудования, применяющего багассу; сезонность потребления багассы и трудности ее хранения; сложности связывания национальных и региональных энергосетей в большинстве далеких сельских районов; низкие тарифы на электроэнергию и необходимость правительственных субсидий [3-10].

В Индии программа децентрализации производства энергии, инициированная в 1995 г., обеспечила поддержку проектов по производству энергии мощностью от 10 до 15 МВт в малых сельских общинах. Предусматривалось на период 1970–2000 гг. выполнить проекты установок общей мощностью 500 МВт. Проект включал в себя создание около 1 600 систем газификации мощностью 16 МВт главным образом для получения электроэнергии в сельской местности. Для Индии потенциальные возможности использования багассы оцениваются в пределах 2 800…5 100 МВт.

В Китае к 2010 г. планировалось создание станции мощностью 300 МВт по газификации багассы, соломы и опилок.

В США реализуются проекты: государственной электростанции на Гавайях (сжигание багассы в псевдоожиженном слое) мощностью 3…5 МВт и электростанции в штате Вермонт мощностью 45 МВт, работающей на древесной щепе.

Страны Европейского Союза (ЕС) также активно размещают системы газификации биомассы. В 1990 г. их мощность составляла 15 МВт., к 2000 г. планировалось довести эти мощности до 20…30 МВт, а к 2005 г. до 50…80 МВт.

В ЕС активно совершенствуются энергоконвертирующие системы с учетом их экологической безопасности. В Австрии уже имеется около 100 местных современных топливных систем мощностью 1 200 МВт. Различные системы газификации и газотурбинных комбинированных циклов мощностью 6 МВт электрических и 9 МВт тепловых уже созданы и создаются в Швеции (местечко Варнамо). Ежегодное использование биотоплива оценивается в 42 10.¹⁵ Дж [3-11].

В последние годы вновь повысился интерес к биотопливам, особенно к этиловому спирту. Ведущими странами по его производству и топливному использованию являются Бразилия и США. В меньших объемах этанол для целей энергетики производят в Аргентине (220 Мл/год), Зимбабве [3–2], Кении [3–7,3-8], Малайзии (6 Мл/год). В ЕС опыты по применению биоэтанола в транспорте были проведены в Германии, Италии, Швеции и Франции.

Как отмечалось ранее [2], Бразильская программа по использованию этанола – наиболее масштабная в мире – начала действовать с 1975 г. В настоящее время Бразилия ежедневно замещает этанолом до 250 000 баррелей импортируемой нефти. В момент наивысшей реализации этой программы (конец 1980 г.) в Бразилии почти 5 млн автомашин использовали чистый этанол и 9 млн – его смесь (20…22 %) с бензином (газохол). Позднее повышение цен на сахар, высокие требования к чистоте этанола, а также неопределенное отношение правительства к этой программе привели к сокращению применения этанола. Начиная с 1976 г., 140 млн м³ бензинового эквивалента было замещено этанолом, что оценивается в 50 млрд долл.

На фоне некоторого снижения использования этанола как топлива в Бразилии заметно растет интерес к нему в США – втором мировом лидере по масштабному изготовлению этанола для нужд автотранспорта. В 1994 г. его производство оценивалось в 5,3 млрд л (1,4 млрд галлонов США) и дополнительно строились новые предприятия по выпуску этанола в объеме 908 млн л (240 млн галлонов). Предусматривается дальнейшая экспансия, так как этанол входит в октановый рынок, и как «чистое» топливо производится теперь в 21 штате; этанолбензиновая смесь (газохол) составляет 10 % топливного рынка США и используется более чем в 100 млн двигателей (20). Сотрудники

General Energetic Council (GEC) отметили, что в 2005 г. около 5 млн автомобилей использовали этанол как нефтяное топливо.

Департамент энергетики США планирует изготовлять этанол из биогидролизатов (ферментное расщепление целлюлозы) древесины при стоимости 0,79 долл. за галлон (0,2 долл. за 1 л) в 2005 г. и 0,56 долл. за галлон (0,14 долл. за 1 л) в 2030 г., а также в 2005 г. увеличили его производство методом ферментативного гидролиза до 9 млрд л и к 2030 г. довести его до 85 млрд л [3-11].

К другой группе жидких биотоплив, вызывающих коммерческий интерес в США, Канаде и ЕС, относится биодизельное топливо. В соответствии с изложенным используются четыре главные технические альтернативы: создание смесей растительных масел с дизельным топливом для отопления; очистка растительных масел для специальных дизельных двигателей; трансэфиризация растительных масел для нормальных дизельных двигателей; трансэфиризация растительных масел, смешанных с дизельным топливом, для нормальных дизельных двигателей.

Широкомасштабное коммерческое производство биодизельного топлива из рапса уже начато: в Австрии оно составляет 3 % общего рынка дизельного топлива при наличии производственных мощностей до 30 тыс. т/год; во Франции эти мощности составляют до 20 тыс. т/год; в Италии в ближайшие годы планируется создание мощности по произвоству биодизельного топлива в объеме 60 тыс т/год.

В США этой проблемой занимается специально созданный национальный биодизельный совет по коммерциализации и индустриализации биодизельного топлива. Планируется на 20 % заменить обычное дизельное топливо биодизельное и использовать его на морских судах, городских автобусах и в малой индустрии [3-12];

Несмотря на увеличивающийся интерес к биодизельному топливу, его рынок пока еще ограничен из-за высоких цен и требований к растительным пищевым маслам. Но этот вид топлива может играть важную роль в сельских районах развитых стран.

3.14. Масштабы современного производства биотоплив в мире по основным технологиям

3.14.1. Производство пеллет

Производство пеллет включает 5 основных стадий: складирование и подготовка сырья; сушка сырья до влажности 18–19 %; производство пеллет; охлаждение теллет; упаковка и складирование.

Характеристика пеллет: энергосодержание – 17–18 МДж/кг; плотность 650–700 кг/куб. м; диаметр – 6-16 мм; длина – 20–30 мм; содержание золы – 0.4–1.0 %; влажность – 7-12 % 3 м ³ древесных пеллет по энергосодержанию эквивалентны 1 м³ нефти [3-13].

Стоимость одной тонны пеллет – 60–90 Евро.

Пеллеты могут быть использованы для:

• производства биосингаза и биоводорода,

• быстрого пиролиза

• производства метанола

• газификации

• прямого сжигания

Пеллеты широко используются в странах Европейского Союза для получения тепловой и электрической энергии. Например, в Австрии общее количество приобретенных бытовых бойлеров, использующих пеллеты, за период с 1997 по 2003 годы составило около 22 тысяч комплектов, или в год: 1997-425; 1998–1323; 1999–2128; 2000–3466; 2001–4932; 2002–4492; 2003–5193.[3-14].

3.14.2. Газификация

Из 1 кг пеллет можно получить около 0.6 кг «син-газа» (0.28 кг нефтяного эквивалента/кг пеллет).

Сырье для газификации: древесина, солома, стебли кукурузы, багасса, отходы растениеводства, отходы лесоводства, специальные плантации.

Стоимость 1 тонны син-газа 250 евро (500 евро за 1 т нефтяного эквивалента) при условии стоимости исходной биомассы 20 Евро/т (влажность 10 %) и мощности завода 130 т СИН-ГАЗА/ГОД.

Син-газ далее используется для получения водорода, метанола, аммония, электрической энергии и серы.

Для получения син-газа все шире используются твердые бытовые отходы [3-15].

Состав син-газа, получаемого при t-1200 °C из твердых бытовых отходов (ТБО):

Водород – 25–42 %, угарный газ – 25–42 %, углекислый газ – 1035 %, азот – 2–5%, метан >1 %, сероводород – следы.

В Японии, в провинции Чиба работает завод по переработке 300 тонн ТБО/ сутки для производства син-газа, идущего на получение водорода для сталелитейного завода.

Рис. 3-13. Япония, провинция Чиба, завод по производству водородаиз син-газа из ТБО

В провинции Мутсу работает завод мощностью по переработке 140 тонн /сутки ТБО для производства электроэнергии, в провинции Нагасаки – 300 т/сутки ТБО для производства электроэнергии, в провинции Курашики – 555 тонн/сутки ТБО для сталелитейного завода, в провинции Юории – 450 тонн/сутки ТБО для паровых турбин, в провинции Токушима – 120 тонн/сутки ТБО для производства электроэнергии, в провинции Изуши – 95 тонн/сутки для паровых турбин.

В Италии в местечке Фондотоц работает электростанция на сингазе, получаемого при газификации ТБО. Завод, производящий син-газ, имеет мощность по переработке 95 тонн ТБО/сутки.

Рис. 3-14. Италия, местечко Фондотоц, электростанция, использующая син-газ, получаемый из ТБО.

В Германии в местечке Карлсрух работает завод мощностью по переработке 720 тонн/сутки ТБО для производства тепловой энергии для муниципальный целей и эксплуатации паровых турбин.

Массовый баланс при получении син-газа при газификации ТБО. [3-15].

Сырье: Отходы – 1000 кг +кислород, природный газ – 514 кг = 1514 кг

Продукты: син-газ 890 кг, минеральные вещества – 230 кг, металлы – 29 кг, сера – 2 кг, цинковые соединения – 3, смесь солей – 10 кг, чистая вода – 350 кг = 1514 кг.

3.14.3. Пиролиз

Пиролиз – процесс переработки лигноцеллюлозного материала без доступа воздуха для получения жидких органических топлив – бионефти.

В Канаде в провинции Онтарио (Зап. Лори) в компании «Дина Мотив энерджи систем» работает завод по получению бионефти пиролизом мощностью по обработке 200 тонн в сутки [3-16].

Для этого процесса можно использовать до 20 видов биомассы, из которых пиролизо получают от 58 до 80 % бионефти на 1 тонну исходного сырья: кукурузная шелуха, еловая и сосновая древесина, древесина листвиницы, багасса, береза, черный тополь, кедр, солома, ТБО. Наилучшим является кукурузная шелуха, которая дает до 80 % бионефти, 12 % активированного угля, 7 % газов на 1 тонну. Сосново-еловая древесина (смесь) дает до 70 % бионефти, 14 %– угля, 13 % газов, солома пшеницы – 58 % бионефти, 18 % уголь, 24 % газы.

3.14.4. Получение биоэтанола

Формула С₂ Н₅ ОН. Молекулярный вес 46.1 С-52.1 %, Н₂ -13.1 %, О₂ -34.7 %, С/Н = 4, стехиометрическое отношение (воздух/этанол) = 9.0.

СЫРЬЕ: сахарная свекла, сахарный тростник, кукуруза, пшеница, картофель, сладкое сорго, касава, меласса, багасса. [3-13].

Таблица. 3–8. Производства спирта из разных культур с 1 га и стоимость 1 куб. м [13].

СЫРЬЕ ОБЪЕМ ПР-ВА СТОИМОСТЬ

т ЕтОН/га $ /куб. м

1. Сахарная свекла 2.5 – 3.0 300-400

(15 Евро/т)

2. Сахарный тростник 3.5 – 5.0 160 (best)

3. Кукуруза 2.5 250-400

4. Пшеница 0.5–2.0 380-400

5. Картофель 1.2–2.7 800-900

6. Сладкое сорго 3.0–5.0 200-300

7. Кассава 1.5–6.0 700

8. Синтетический спирт 540 (min)

9. ТБО 20 куб. м/т

Мировой рынок этанола [3-13].

1. БРАЗИЛИЯ – 160 Евро/1куб. м

2. БРАЗИЛИЯ (безводный спирт) – 220 Евро/1 куб. м

3. США (Безводный спирт) – 250 Евро/1 куб.м

4. ЕВРОПА (безводный спирт из сах. св.) – 350–450 Евро/1 куб. м

Импорт спирта в Европу– 190 Евро/1 куб. м

Мировая потенциальная потребность в этаноле два миллиарда тонн в год.[17].

Современное мировое производство 32 миллион тонн в год: пищевой этанол 4 млн. куб. м, для химической промышленности – 8 млн. куб. м, топливный этаноли – 20 млн куб. м)

7% этанола производят химическим синтезом, 93 % – брожением; 60 % получают из сахара, 40 % – из зерна.

Бразилия в 1999 г. производила 6.5 млн. куб. м в год, что обеспечивало 13 % ее общих потребностей в энергоресурсах и 19 % потребности в жидком топливе, что позволило сэкономить 35.6 млрд. $ US. Для ДВС используется 26 % этанола в смеси с бензином, для дизельных двигателей – 3 %.

Современное (2004) производство этанола в Бразилии составляет 13 млн. куб. м (сахарный тростник) при потреблении 12.6 млн. куб. м в год.

1 баррель спирта – 25 $ US; 1 баррель бензина – 35 $ US.

США – 2-я страна по производству этанола – 5.5 млн. куб. м в год (2003).

В США– 90 % этанола получают из кукурузы, 8 % – из сорго.[18].

В 2004 году производство этанола в США составило 10.5 млн. т. На эти цели было использовано 13 % урожая кукурузы.

В 2008 г. в США было произведено 37.8 млн. т/год [3-19].

В 2013 г. совокупное недельное производство составило 6,337 млн. т, что представляет собой рекордный объем, произведенный за неделю с июня 2013 года – то есть рекордный, по меньшей мере, с начала текущего сезона.(В год может составить 330 млн. т)[3-20]

В штате Калифорния введен запрет на использование метилтрет-бутилового эфира. 70 % бензина, используемого на Юге штата и 57 % – на Севере штата, смешиваются с этанолом.

Добавление 1 части этанола в бензин ведет к экономии 3 частей нефти. Спирт является единственным возобновляемым жидким источником топлива, использование которого в качестве добавок к бензину не требует изменения конструкции двигателей.

К 2012–2015 годам потребление этанола в США составит 15.8 млн. т.

Кроме кукурузы необходимо искать другие сырьевые источники, например, древесная целлюлоза-полимер глюкозы., или традиционные источники сахарозы и крахмала: сахарная свекла (меласса, свекольный жом), сахарный тростник (багасса), сладкое сорго, картофель, и. т. д.

В этом плане представляет интерес Европейский проект «Сладкое сорго».

С 1 гектара из сладкого сорго можно получить:

1. Багассы (сухой) – 15 тонн

2. Зерна 5 тонн

3. Сахара 7 тонн

4. Листьев 1.88 тонны

5. Корней 2.3 тонны

6. Этанола 3–5 куб. м

Прогноз по производству и потреблению спирта к 2020 году: Мир – производство 233.6 млн. т, потребление – 250 млн. т; 120 млн. тонн/год, США потребление – 92.5 млн. т; Бразилия, потребление – 44.8 млн. т; ЕС – 8.3 млн. т; Китай– 6.15 млн. т./год.

В Таблице 10 нами приведены расчеты, показывающие уменьшение использования бензина в США и Европе за счет потребления топливного этанола. Расчеты показывают, что США в 2009 году уменьшилось потребление бензина на 10 %, в ЕС – на 3 %, а в Германии – на 4.4 %.

Бензин и этанол – мировые перспективы.

Таблица. 3-10

Уменьшение использования бензина за счет потребления этанола в США, странах ЕС, в том числе Германии в 2009 году (млн. тонн) [3-57]

Как видно из Таблицы 11, в странах ЕС-27 не выполняется Директива ЕС 2003/30 относительно потребления топливного этанола. Исполнительная власть Евросоюза предложила членам этой региональной организации довести к 2020 году до 20 % долю возобновляемых источников энергии, сократить на 20 % к уровню 1990 года объемы вредных выбросов в атмосферу и снизить на 20 % общие энергетические затраты. Так называемый план «20-20-20» предусматривает также постепенный переход стран ЕС с 2013 года на систему продажи квот на выбросы CO₂, что, к сожалению, в ЕС не выполняется.

Таблица. 3-11

Потребление этанола и бензина в ЕС-27 (млн. тонн в год) [3-57]

3.14.5. Другие виды биотоплив

3.13.5.1. Биоэтил-три-бутиловый эфир (BIO-ETBE)

Получается смешиванием биоэтанола – 48 % по объему и третичного бутанола с последующим нагреванием в присутствии катализаторов (октановое число – 112), используется в смеси с бензином для любых двигателей.

3.13.5.2. Биодизельное топливо. – продукт эритрификации растительных масел.

Мировое потребление дизельных топлив – 145 л/человека в год.

Современное производство биодизельного топлива [3-21]: Мировое – 1.7 млн. тонн/год, Европейский Союз -1.5 млн. тонн/год, Восточная Европа – 0.1 млн. тонн/год, США – 0.07 млн. тонн/год.

Прогноз – к 2020 году мировое производство биодизельного топлива может составить 23 млн. тонн.

В Европе для получения биодизельного топлива используется рапсовое масло (1–1.5 т/га).

Растительное масло эритрифицируется метанолом (1 тонна масла + 100 кг метанола + 100 кг глицерина), добавляется в количестве 5 % к дизельному топливу.

СОВРЕМЕННЫЕ ДИЗЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ МОГУТ РАБОТАТЬ НА 100 % БИОДИЗЕЛЬНОМ ТОПЛИВЕ.

3.13.5.3. Биометанол – может стать предпочтительным топливом для топливных элементов.

БИОМЕТАНОЛ получают из син– газа, или смеси Н₂ и СО, получаемых из биомассы в присутствии О₂. (Производство синтетического метанола составляет 27 млн. т/год)

3.13.5.4. Биометил-три-бутиловый эфир (BIO-MTBE) – аналогичен BIO-ETBE), получают смешивание биометанола (36 % по объема) и третичного бутанола при нагревании и катализаторах.

3.13.5.5. Биодиметил эфир (BIO-DME) – добавляется к дизельному топливу (2 %) для улучшения его качеств. Может получаться из син-газа или чистого метанола в присутствии алюмосодержащих катализаторов.

Биосинтетические топлива: широкий ряд чистых биосинтетических топлив может быть получен из «БИОСИНГАЗА», получаемого из биомассы, или из Водорода и Угарного газа по реакции Фишера-Тропша.

3.13.5.6. Биоводород.

Продукт переработки биомассы. Это превосходное чистое топливо, очень энергоёмкое (в 3 раза выше, чем нефть на единицу веса) и не дает углекислого газа в атмосферу в процессе сгорания, как все углеросодержащие топлива.

Известно несколько путей его получения:

1. Брожение сахаросодержащего или крахмалистого сырья (багассы, мелассы и т. д.)

2. Электролиз воды при использовании биоэлектричества. Это очень эффективный процесс, но стоимость инвестиций и стоимость получаемого водорода относительно высока (2000–3000 Евро/тонну водорода с 4,5 кВт час/куб. м водорода).

3. Каталитическим изменением биосингаза – смеси угарного газа/водорода, получаемых из твердой биомассы. Стоимость 1700 Евро/тонна через паровое преобразование угля/ пеллет, получаемых из биомассы (30 Евро/dT).

4. Разделением сингаза на мембранах.

5. Из водного раствора биоэтанола (99 % превращения – 75 % конверсии энергии).

6. Из биометанола через паровое реформирование.

3.13.5.6. Производство биогаза (см. подробнее во 2-й части).

3.15. Потенциальные возможности развития биоэнергетики в России и современное состояние

Ежегодное количество органических отходов по разным отраслям народного хозяйства России составляет более 270 млн. т. Сельскохозяйственное производство дает 200 млн. т, из них 66.5 млн. т приходится на животноводство и птицеводство, 126 млн. т – на растениеводство. Лесо– и деревопереработка дают 70 млн. т, твердые бытовые отходы городов – 16 млн. т, осадки коммунальных стоков – 4.9 млн. т (все приведенные значения даются на абсолютно сухое вещество по итогам исследований по заказу Института энергетической стратегии РФ. 2006 г. Панцхава Е.С.).

Приведенные ниже потенциальные возможности производства биотоплив в России рассчитаны на основании запасов того или иного вида сырья, мощности существующих или существовавших относительно недавно производств, а так-же современных достижений отечественной науки и техники.

3.15.1. Использование древесины

Россия может стать крупным экспортером древесной щепы и пеллет для Европы и других стран.

В России сосредоточена четвертая часть мировых запасов леса -82 миллиарда куб. метров или 41 млрд. тонн древесины. В мире таких ресурсов нет. Лес в России занимает 2/3 территории – 1,2 млрд га.

Для переработки без нанесения ущерба для лесных плантаций можно в целях энергетики использовать, как минимум, до 0.16 % ежегодно, или 130 млн. куб. м = 65 млн. тонн. Стоимость экспорта такого количества может составить 3.9 млрд. Евро в год. Энергоемкость такого объема древесины составляет 1.1 ЕДж (10¹⁸)

Но для этого нужны очень крупные инвестиции для создания производственных мощностей и инфраструктуры.

Существующие промышленно используемые технологии переработки лесной древесины и других видов лигноцеллюлезного и гемицеллюлезных материалов для получения топлива можно в ХХI веке высоких технологий отнести к «варварским» способам, так как древесина – это прекрасное сырье для химической промышленности и производств широкого профиля товаров промышленного и бытового применения.

Для производства пеллет можно использовать солому злаковых и крупяных культур, масса накопления которой ежегодно составляет 80-100 млн. тонн. При использовании для производства пеллет только половины этой массы можно получить за счет экспорта до 1.2 млрд Евро.

Таким образом, потенциальные возможности от производства и экспорта пеллет в год для России могут составить 5.1 млрд. Евро.

3.15.1.1. Газогенерация и пиролиз

Проведенные исследования и имевшийся в стране опыт строительства газогенераторных установок в 30 – 40 – х годах позволили создать газогенераторы нового поколения, реализующие обращенный процесс слоевой газификации при атмосферно-воздушном дутье, что повышает КПД таких систем..

Наиболее активно ведется разработка и создание оборудования для газификации твердой биомассы с целью создания автономных тепло– и электростанций, работающих на генераторном газе.

Ведущей организацией по этому направлению является АО "Энерготехнологии" (г. Санкт-Петербург), научный руководитель проблемы профессор, доктор техн. наук Л.В.Зысин.

При отработке технологий и освоении производства термических газогенераторов для переработки биомассы в газообразное топливо с 1987 по 1995 гг. были проведены комплексные исследования по кинетике процессов термической газификации различных видов растительной биомассы: отходов деревообработки, лесосечных отходов, рисовой лузги, лигнина, твердых бытовых отходов, торфа и т. д.

Газогенераторы, объединенные в один энергетический комплекс с водяными котлами или дизельными электрогенераторами, используются для получения тепловой и электрической энергии.

Разработан типоразмерный ряд газогенераторов с тепловой мощностью 100, 200, 600, 3000 и 5000 кВт. Освоено производство опытных серий газогенераторов тепловой мощностью 100 и 200 кВт. Успешно прошли испытания газогенераторы на 600 и 3000 кВт и осуществляется подготовка к их серийному производству. Созданы и испытаны горелочные устройства для сжигания генераторного газа, топочные устройства.

По техническим характеристикам созданные газогенераторы отвечают современному мировому уровню, что подтверждается интересом к ним фирм Швеции, Финляндии и Израиля.

Реализация обращенного процесса газификации позволила в 8-10 раз снизить смолосодержание генераторного газа, что позволяет использовать его в дизельном двигателе при минимальной очистке. При переходе на генераторный газ мощность двигателя практически не меняется, существенно улучшаются экологические показатели энергетических установок, на 40–50 % повышается их моторесурс.

На базе таких газогенераторов могут создаваться автономные, не зависящие от централизованного энергоснабжения установки или станции для тепло– и электроснабжения потребителей в любых регионах страны, имеющих сырье и лишенных энергоснабжения. К этим регионам прежде всего относятся районы Сибири, Крайнего Севера, а также большинство сельских районов, располагающих отходами лесопроизводства (опилки, кора, щепа, хлысты, пни) и растениеводства (солома любая, стебли подсолнечника, кукурузы и т. д. – всего до 360 млн. куб. м).

АО "Энерготехнология" в рамках ГНТП России "Экологически чистая энергетика" создало две газогенераторных станции.

1. Газогенераторную станцию теплоснабжения мощностью 200 кВт (т), включающую слоевой генератор прямого процесса, теплогенератор с горелочным устройством для горячего водоснабжения. Станция предназначена для обеспечения горячей водой 20 коттеджей с площадью отапливаемых помещений по 150 м2 каждый. В качестве сырья для газификации будут использоваться твердые бытовые отходы или их смесь с иловыми осадками очистных сооружений при интегральной влажности до 60 %.

Характеристики станции следующие: диапазон регулирования мощности 80-250 кВт; расход топлива (по сухому веществу) на номинальном режиме 80 кг/ч; низшая, теплота сгорания генераторного 4 МДж/м (при нормальных условиях); держание влаги в генераторном газе до 25 % об.; потребляемая электрическая мощность не более Вт.

2. Газогенераторную станцию тепло– и электроснабжения тепловой мощностью 600 кВт, включающую слоевой газогенератор обращенного процесса, систему очистки генераторного газа, водогрейный котел и дизельгенератор мощностью 299 кВт. Станция предназначена для автономного обеспечения теплом и электроэнергией,200-квартирного дома. Сырье для газогенерации – все виды органосодержащих отходов при влажности не более 60 %.

Характеристики станции:

• номинальная мощность при электрической нагрузке 180 кВт; номинальная мощность при тепловой нагрузке 450 кВт; диапазон регулирования электрической мощности от 0 до 220 кВт; расход биотоплива (сухое вещество) на номинальной нагрузке 240 кг/ч; расход дизельного топлива для "подсветки" на номинальной нагрузке 5 г/кВт;

• низшая теплота сгорания генераторного газа 4,5 МДж/м³ (при нормальных условиях);

• содержание влаги в генераторном газе до 30 % об.;

• потребляемая электрическая мощность на собственные нужды станции не более 30 кВт (15 %).

Коэффициент использования теплоты генераторного газа при выработке тепловой энергии 85 %, при комбинированной выработке тепловой и электрической энергии 80–84 %.

Благодаря применению обращенного процесса газификации на 20 % снижается металоемкость теплоэлектрической установки.

В этой области биоэнергетики Россия имеет определенные реальные успех в создании современного оборудования для газификации твердой биомассы (древесины, лузги, ТБО).

Компанией «ЭНЕРГОТЕХНИКА» (Санкт-Петербург) создано несколько типов газогенераторов.

Газогенератор Г-3М. Мощность 4 МВт, Топливо лузга подсолнечника, расход топлива – 30 т/час, к.п.д. – 86 %, место установки – г. Пологи Запорожской области Украины.

Газогенератор Г-50. Мощность – 100 кВт, расход топлива 40 кг/час, к.п.д. – 76 %, выход сухого газа – 70 куб. м/час.

2.3. Газогенератор УТГ-600. Мощность 600 кВт, к.п.д. – 83 %, выход сухого газа – 500 куб. м/час, расход топлива – 380 кг/час.

Рис. 3-15. Газогенератор УТГ-600.

При переработке вышеуказанных потенциальных объемов древесины и соломы методами газификации в «синтез-газ» можно получать в год до 85 млрд куб. м «синтез-газа» на сумму 15 млрд. Евро [3-33].

3.15.1.2. Получение этанола

Экспорт транспортного этанола также может стать в перспективе серьезным источником валюты и экологически чистым энергетическим товаром России на международном топливном рынке.

В 2002 году в России произведено из пищевого сырья 1.31 млн. куб. м этанола, производство синтетического этанола – 0.15 млн. куб. м, технического гидролизного этанола составило 0.044 млн. куб. м.

Россия располагает мощностями, использующими гидролизные технологии, позволяющими производить до 0.2 млн. т гидролизного спирта.

Однако, гидролизные технологии, основанные на использовании серной кислоты, являются экологически вредными.

Необходимо разрабатывать современные экологические чистые экологии эффективного разложения древесины на целлюлозу (полимер глюкозы) и лигнин.

Другими видами сырья, обеспечивающими производство этанола в России могут быть:

• меласса (отходы сахарного производства),

• картофельный крахмал,

• сладкое сорго.

3.15.1.2.1. Меласса

Объемы производства мелассы в 2013 году составил 1.56 млн. тонн. Из 100 кг мелассы можно получить 30 л этанола, или из 1.56 млн. тонн – 468 млн. л = 468 тыс. м³ или 390 тыс. т.

Рис. 3-16. Сахарная свекла.

Стоимостью 309 млн. $ US. (Средняя стоимость 1 литра = 0.66 $US [3-34]).

Сырьем для производства этанола может быть также использован свекловичный жом. Объемы его производства в 2013 году составили 31.2 млн. тонн. Выход этанола может составить 681 тысяч куб. м или 565 тыс. т на сумму 450 млн. $ US.

Итого общий выход этанола из отходов производства сахара может составить 1149 тысяч куб. м на общую сумму – 759 млн. $ US.

Для производства этанола можно использовать непосредственно сахарную свёклу, урожай которой в 2013 голу в России составил 39 млн. тонн, при содержании сахара в ней 16 %, выход этанола мог бы составить 3.99 млн. куб. м на сумму 2.6 млрд. $ US.

3.15.1.2.2. Картофель

Вторым сырьевым источником крахмала для производства этанола в России является картофель. Из 1 тонны картофеля можно получать до 60 л этанола. При урожае картофеля в России в 2012 году в объеме 29.3 млн. тонн потенциальный объем этанола может составить 1.76 млн. куб. м на сумму 1.16 млрд.$ US.

Картофель – культура широко распространенная в России в регионах рискованного земледелия. Производство его для технических целей, например для производства этанола, может оказать существенное влияние на подъем экономики в этих регионах.

Для того чтобы выйти по производству этанола в объемах современного его производства в США в России нужно засевать картофелем до 15 млн. га.

3.15.1.2.3. Сладкое сорго

Третьим потенциальным сырьем для производства этанола в России может стать сладкое сорго, культивируемое на Северном Кавказе, Дальнем Востоке и в Поволжье.

Урожай сладкого сорго – 20–30 т/га. Из 1 тонны массы сорго получают 800–850 литров сока с содержанием 20 % углеводов, или можно получить до 80 литров этанола, или с 1 га – 2 куб. м на сумму 1320 $ US.

Таким образом, перспектива развития производства транспортного этанола в России с последующим его экспортом достаточно оптимистичны. Но, совершенно очевидно, что основным сырьем для его производства в России должна стать древесина, что требует создания современных технологий ее разложения на лигнин и целлюлозу.

3.16. Получение биоводорода

Один из методов получения биоводорода из биомассы – это бутиловое или ацетоно-бутиловое брожение сахарозы или крахмала.

3.6.1. Ацетоно-бутиловое брожение (Cl. Acetobutylicim)

2 М Глюкозы = 1 М Бутанола + 1 М ацетона + 4 М Водорода + 5 М СО₂

На 1 тонну мелассы образуется 80 куб. м водорода, или на все произведенную мелассу в 2013 году– 124.8 млн. куб. м

С 1 гектара плантаций сахарной свеклы (мелассы) можно получить до 140 куб. м водорода.

Дополнительно к водороду с 1 тонны мелассы получают до 114 кг бутанола до 36 кг ацетона, или со всего годичного объема мелассы – Бутанола 177840 тонн, Ацетона -56160 тонн.

4.2 Бутиловое брожение (Cl. Butylicum)

3 М Глюкозы = 1 М Бутирата + 1 М Ацетата + 6 М СО₂ + 9 М Водорода + 4 М Воды

На 1 тонну мелассы можно получить до 140 куб. м Водорода, или на всю произведенную мелассу в 2013 году можно получить 218 млн. куб. м Водорода, а с 1 гектара плантаций сахарной свеклы(меласса) – 315 куб. м.

В СССР до конца 70-х годов ХХ столетия в эксплуатации находилось 4 ацетоно-бутиловых завода: в г. Грозном, в г. Нальчике, в г. Талица (Свердловской области) и в г. Ефремов (Тульской области). К концу 90-х годов остались Грозненский и Ефремовский заводы.

Ефремовский завод производил в сутки до 50 тонн растворителей (бутанол: ацетон: этанол = 13:4:1) и до 29 тысяч куб. м водорода, или в год: 15000 тонн растворителей и до 8.7 млн. куб. м водорода.

Грозненский завод– в сутки: 74 тонны растворителей и 43 тысячи куб. м водорода, в год: 12.9 млн. куб. м водорода и до 22 тысяч тонн растворителей.

К сожалению, весь образующийся водород в то время выпускался в атмосферу (углекислота шла на производство жидкой и твердой углекислоты).

Ефремовский ацетоно-бутиловый завод можно восстановить.

В конце 60-х годов ХХ столетия на Ефремовском ацетонобутиловом заводе (1967) и Грозненском АБЗ (1969) были введены в эксплуатацию два цеха по производству кормового витамина В-12 методом термофильного метанового брожения жидких отходов этих производств – барды (3000 куб. м/сутки) Кроме витамина В-12 каждый цех производил в сутки до 30 тысяч куб. м биогаза, который целиком использовался для производства тепловой энергии для всего производственного цикла.

Таким образом, в конце 60-х годов в СССР впервые в мире были созданы крупномасштабные промышленные производства биотоплив из биомассы (биовородород, биометан, биобутанол, биоацетон и биоэтанол).

Картофель.

При ацетонобутиловом брожении с 1 тонны картофеля можно получить 25 куб. м водода, 340 кг Бутанола и 110 кг Ацетона.

С 1 гектара картофельных плантаций – 875 куб. м Водорода + 12 тонн Бутанола + 4 тонны Ацетона. При бутиловом брожении с 1 тонны картофеля – 42 куб. м Водорода, или с 1 гектара плантаций – 1500 куб. м водорода.

Сладкое сорго.

С 1 тонны стеблей сорго при ацетонобутиловом брожении можно получить до 30 куб. м Водорода + 114 кг Бутанола + 40 кг Ацетона.

При бутиловом брожении – 50 куб. м Водорода.

С 1 гектара плантаций сахарного сорго при ацетонобутиловом брожении: 900 куб. м Водорода + 3.4 тонны Бутанола + 1.2 тонны Ацетона, при бутиловом брожении – 1500 куб. м Водорода.

3.17. Биодизельное топливо – перспективы производства в России

Россия имеет все возможности для производства растительных масел с целью производства и экспорта биодизельного топлива. В России основными продуцентами растительных масел являются: подсолнечник, лен, горчица, небольшой объем занимают: кукуруза, соя и рапс.

Ведущее место занимает подсолнечник. В 2000 году Россия произвела более 4 млн. тонн растительных масел.

Очень перспективным для России является расширение посевов льна в Средней полосе (традиционное российское производство льна) с производством льняного волокна и семян для отжима масла, а также в Южных регионах: подсолнечника, сои, рапса.

В Мурманской области работают две крупных биогазовых установки с реакторами объемом в 50 м³.

Литература

3-1..Биотопливо – Википедия ru.wikipedia.org.

3-2. Панцхава Е.С., Березин И.В., Техническая биоэнергетика, // Биотехнология, 1986, № 3, с. 8–15.

3-3.O., Rosillo-Calle I⁷., 10 Biomass (Other then Wood)// Survey of Energy Resources., 1998, 18^th Edition, p. 227–257.

3-4. Велихов Е., интервью, газета «Поиск», № 3, 13 марта 2001 г.

3-5. Zervos A., Lius Ch., Schrafer O., Tomorrow’s world// REW., 2004, v. 7, n 4, p. 238–245.

3-6. Bhattacharya S.C., Fuel for thought // REW, 2004, v. 7, n 6, p. 122–130. _th

3-7. Raldow W., Research in the 6^th FP-future, calls. Bioenergy enlarged perspectives. Budapest., 2003.

3-8. Sims R., Richard K., REW, 2004, n 2, p. 128–133.

3-9. FAO. Forestry, Fuels and the Future // Forestry Topics Report, 1996, n. 5, FAO Forestry Department Rome.

3-10. Rosillo-Calle F., Cortez L.A., Forward ProAlcochol 11: Re-viero of Brazilian National Bioethanol Program // Biomass and Bioenergy, 1996.

3-11. NUTEC, Federal Energy Research and Development for the challenges of the 21^st Century // Report of the Energy Research and Devel-opment Panel, 1997. The President’s Committee of Advisors on Science and Technology., Washington DC.

3-12. Lourin A., Biodisel: Tomorrow’s Liquid G?1d // Biologist 1998, 445. 11. p. 17

3-13. European Commission., 2004, Refined Biofuels Pellets and Briquettes (LAMNET).

3-14. Rakes Ch., Hotting up, REW, 2004, v. 7, n 4.

3-15. Kaizer W., Shimizu M., High– temperature gasification, Waste management world, 2004, n. 6.

3-16. Tonsing R., The new block gold, REW, 2004, v. 7, n 3.

3-17. Fulton L., Driving ahead, REW, 2004, v/ 7, n 4.

3-18. Экспресс-информ. Интернет– www.einform.com., ua.

3-19. Производство биоэтанола в США стремительно растет – Abercade abercade.ru.

3-20. Недельное производство биоэтанола в США побило… – ПроАгро www.proagro.com.ua/news/sng/4082037.htm.

3-21. Fulton L., Driving ahead, REW, 2004, v/ 7, n 4.

3-22. Экспресс-информ. Интернет– www.einform.com., ua.181/ 09.htmk.

3-23. Raavindranath N. H., Hall D.O., Estimates of feasible productivities of short rotation tropical forestry plantation // Energy for Sustainable Development, 1996, n 2, p. 14–20.

3-24. Natarajan I., Biogas for All // Wood Energy News, 1997, 12(2), p. 22., FAO, Bangkok.

3-25. Biomass for Energy – Danish Solutions // Danosh Energy Agency, 1996, Ministry of Environmental and Energy, Copenhagen.

3-26. Панцхава Е.С. и др., Биогазовые технологии, М., 2002.

3-27. Панцхава Е.С., Пожарнов в.а., Российские биогазовые технологии и их коммерциализация. // Сб. трудов Международной конференции «Энергоэффективность крупного промышленного региона», 79 июня 2004 г., Донецт, Украина.

3-28. Willumsen H., Landfill gas recovery plants., Waste management world, 2004.

3-29. Самая крупная в Дании установка по производству биогаза …www.lemvigbiogas.com/RU.htm

3-30. Denmark's largest biogas plant receives large amounts of fish waste…www.lemvigbiogas.com/GB.htm

3-31. Good practice examples on heat use of biogas plants in Denmark., www.e-sieben.at.

3-32. Биогаз в США, www.rosbiogas.ru.

3-33. Панцхава Е.С., Кошкин Н.Л., Использование энергии биомассы в России: Проблемы и перспективы. Тезисы германо – российской конференции, 1994, 24–26 октября, г. Фрайбург, ФРГ

3-34. Бензин и этанол – мировые перспективы – рынок топлива www.samoupravlenie.ru

3-35. Новости о конце света» Ресурсы планеты неисчерпаемы 2012over.ru

3-36. Биотопливо, Материал из Википедии – свободной энциклопедии ru.wikipedia.org/wiki.

3-37. 05 февр. 2007 г. – Биомасса ползет в бак, Галина Костина, expert.ru /expert/2007/05/biomassa.

3-38. Ольга Ракитова, Ресурсы, www.rg.ru.

3-39. «Новости о конце света» Ресурсы планеты неисчерпаемы 2012over.ru.

3-40. Иван Карташев, Зачем нужны биотоплива,

2007,www.computerra.ru.

3-41. Виды биотоплива 3-42. Отчет РЭА, 2011.

3-43. Биомасса(энергия биомассы) http://www.ecomuseum.kz) 3-44. Новости о конце света» Ресурсы планеты неисчерпаемы 2012over.ru/resursi-planeti-neischerpaemi.html.

3-45. Виды биотоплива

3-46. Биотопливо – альтернативный вид топлива 3-47. Альтернативное биотопливо – биодизель alternativenergy.ru.

3-48. Вместо бензина автомобили будут заправлять биотопливом, изготовленным из водорослей, biointernational.ru.

3-49. Я. М. Паушкин, Г. С. Головин, А. Л. Лапидус, А. Ю. Крылова, Е. Г. Горлов, В. С. Ковач, Получение моторных топлив из газов газификации растительной биомассы, www.promeco.h1.ru.

3-50. Биотопливо – плюсы и минусы, e-ypok.ru.

3-51. Наша позиция в отношении биотоплива 3-52. Автомобили: использование биотоплива, http://europa.eu. 3-53. Перспективы производства электрической энергии из биомассы …www.uabio.org

3-54. Поколения биотоплива., www.bionovosti.ru.

3-55. Third generation biofuels from microalgae – Formatex Research. www.formatex.info.…

3-56. Historical Overview – Biogas-china.org., www.biogas-china.org.

3-57. Бензин и этанол – мировые перспективы – рынок топлива., www.samoupravlenie.ru.

Глава 4. Технологии, используемые для производства исходного сырья из биомассы для синтеза моторных топлив разного класса

Ниже представлены короткие описания различных способов переработки биомассы: термохимические методы переработки, физикохимические методы переработки биомассы, а также биохимические методы.

Рис. 4–1. Технологии переработки биомассы. Переработка биомассы [4–1]

4.1. Термохимические технологии

4.1.1. Прямое сжигание

Древнейший, но наименее выгодный процесс с КПД получения тепловой энергии 15… 18 %. Однако существуют такие виды биомассы, которые выгоднее сжигать при условии создания тепловых агрегатов с более высоким КПД. К таким видам – биомассы относятся:

• солома злаковых и крупяных культур, стебли подсолнечника и кукурузы, из которых готовят топливные гранулы – пеллеты;

• некоторые виды древесины, древесные отходы;

• твердые отходы сельскохозяйственного производства;

• городские твердые отходы [4–2];

• отходы производства сахара из сахарного тростника – багасса, которая при прямом сжигании используется для производства пара, электричества, пульпы, бумаги, картона, корма для животных [4–3]. В 1995 г. во всем мире было получено около 200 млн. т багассы, из которых 95 % использовалось как топливо для производства сахара, заменив 40 млн т нефти.

Существует множество типов и размеров систем прямого сжигания биомассы, в которых можно сжигать различные виды топлива: птичий помет, соломенные тюки, дрова, муниципальные отходы.

Тепло, получаемое при сжигании биомассы, может использоваться для отопления и горячего водоснабжения, для производства электроэнергии и в промышленных процессах. Одной из проблем, связанных с непосредственным сжиганием, является его низкая эффективность.

Сжигание древесины может быть разбито на 4 фазы: – Кипение воды, содержащейся в древесине. Даже древесина, высушенная в течение нескольких лет, содержит от 15 до 20 % воды в клеточной структуре. – Выделение газовой (летучей) составляющей. Очень важно, чтобы эти газы сгорали, а не "вылетали в трубу". – Выделяющиеся газы смешиваются с атмосферным воздухом и сгорают под воздействием высокой температуры. – Сгорание остатков древесины (преимущественно углерод). При хорошем сжигании энергия используется полностью. Единственным остатком является небольшое количество золы.

Для эффективного сжигания необходимы три условия: 1. Достаточно высокая температура. 2. Достаточное количество воздуха. 3. Достаточное время для полного сгорания. [4–4].

Один кубический метр сухой древесины содержит 10 ГДж энергии (десять миллионов кДж). Для нагревания 1 литра воды на 1 градус требуется 4,2 кДж тепловой энергии. Для того, чтобы довести до кипения литр воды, потребуется менее 400 кДж, содержащиеся в 40 кубических сантиметрах древесины – то есть небольшая деревянная палочка. На практике на открытом огне потребуется, по крайней мере, в 50 раз большее количество древесины. Эффективность преобразования не превышает 2 %.[4–4] Разработка печей или котлов, способных эффективно использовать энергию топлива, требует понимания процессов сгорания твердого топлива. Первым процессом, потребляющим энергию, является испарение содержащейся в древесине воды. Для относительно сухого топлива на испарение используется лишь несколько процентов от общего количества выделяемой энергии. В самом процессе сгорания всегда имеются две стадии, потому что любое твердое топливо содержит две сгораемые составляющие. Летучие компоненты выделяются из топлива при повышении температуры в виде смеси паров и испаренных смол и масел. При сжигании этих продуктов образуются небольшие пиролизные струи. [4–4]. Современные устройства для сжигания (котлы) обычно производят тепло, пар, используемый в промышленных процессах, или электроэнергию. Устройство систем прямого сжигания варьируется в зависимости от варианта использования. Выбор топлива также влияет на дизайн и эффективность систем сжигания. Системы прямого сжигания биомассы подобны аналогичным устройствам, сжигающим уголь. На практике биомасса может сжигаться совместно с углем в небольшой пропорции в существующих угольных котлах. Биомасса, сжигаемая совместно с углем, представляет собой дешевое сырье, например отходы лесного или сельского хозяйства. Это помогает уменьшить выбросы в атмосферу, обычно связанные с использованием угля. [4–4]

4.1.2. Пиролиз

Термохимическая конверсия сырья без доступа воздуха при температуре 450…550 °C позволяет из 1 м³ абсолютно сухой древесины получать: 140… 180 кг древесного угля, не содержащего ни серы, ни фосфора и используемого для получения лучших сортов стали, 280.. 400 кг жидких продуктов – метанола, уксусной кислоты, ацетона, фенолов; 80 кг горючих газов – метана, монооксида углерода, водорода [4–2].

Разные виды высокоэнергетического топлива могут быть получены с помощью нагрева сухой древесины и даже соломы. Процесс использовался в течение столетий для получения древесного угля. [4–4].

Традиционный пиролиз заключается в нагреве исходного материала (который часто превращается в порошок или измельчается перед помещением в реактор) в условиях почти полного отсутствия воздуха, обычно до температуры 300 – 500 °C до полного удаления летучей фракции. Остаток, известный под названием древесный уголь, имеет двойную энергетическую плотность по сравнению с исходным материалом и сгорает при значительно более высоких температурах. В зависимости от влажности и эффективности процесса, 4-10 тонн древесины требуется для производства 1 тонны древесного угля. В случае если летучие вещества не собираются, древесный уголь содержит две трети энергии исходного сырья.[4–4].

Пиролиз может проводиться в присутствии малого количества кислорода (газификация), воды (паровая газификация) и водорода (гидрогенизация). Одним из наиболее полезных продуктов в этом случае является метан, представляющий собой топливо для производства электроэнергии с помощью высокоэффективных газовых турбин.

Более сложная техника пиролиза позволяет собрать летучие вещества. Кроме того, контроль температуры позволяет контролировать их состав. Жидкие продукты могут использоваться в качестве жидкого топлива. Однако они содержат кислоты и должны очищаться перед использованием.[4–4]. Получение древесного угля.

Производство древесного угля охватывает широкий диапазон технологий от простых и рудиментарных земляных устройств до сложных, обладающих большой мощностью реторт. Использование различных технологий приводит к получению древесного угля разного качества.

Типичные параметры качественного древесного угля: – Содержание золы – 5 %. -Содержание углерода – 75 %. -Содержание летучих компонентов – 20 %. -Плотность – 250–300 кг/м³. Физические параметры – Умеренно рыхлый.

Усилия по оптимизации производства древесного угля направлены на оптимизацию приведенных выше параметров при минимальных инвестициях и затратах на обслуживающий персонал и максимальном выходе угля по отношению к количеству древесины на входе. [4–4] Производство древесного угля состоит из шести главных этапов:

• Подготовка древесины.

• Сушка или уменьшение влажности.

• Предварительная карбонизация – уменьшение количества летучих компонентов.

• Карбонизация – дальнейшее уменьшение количества летучих компонентов.

• Завершение карбонизации – увеличение содержания углерода.

• Охлаждение и стабилизация древесного угля.

Первый этап состоит из сбора и подготовки основного сырья – древесины. [4].

Второй этап получения древесного угля выполняется при температурах от 110 до 220 °C, заключающийся в уменьшении количества воды в древесных порах, воды, содержащейся в клетках и химически связанной воды.

Третий этап проводится при температурах от 170 до 300 °C и называется этапом предварительной карбонизации. На этом этапе выделяются пиролизные жидкости в форме метанола и уксусной кислоты, а также малое количество окиси и двуокиси углерода.

Четвертый этап выполняется при температурах от 200 до 300 °C, когда образуется основная часть легких смол и пиролизных кислот. В конце этого этапа образуется древесный уголь, являющийся результатом карбонизации древесных остатков.

На пятом этапе при температурах от 300 до максимальной 500 °C завершается выделение летучих компонентов и увеличивается содержание углерода в угле. [4] На шестом этапе полученный уголь охлаждают в течение, по крайней мере 24 часов, чтобы увеличить его устойчивость и снизить риск самопроизвольного возгорания.

Наконец, финальный этап заключается в извлечении угля, упаковке, транспортировке, оптовой и розничной продаже потребителям. [4–4]

4.1.3. Газификация

Сжигание биомассы при температуре 900… 1 500 °C в присутствии воздуха или кислорода и воды с получением синтез-газа, состоящего из смеси монооксида углерода, водорода и стеклообразной массы (7… 10 % массы исходного материала), применяемой как наполнитель для дорожных покрытий. Газификация – более прогрессивный и экономичный способ использования биомассы для получения тепловой энергии, чем пиролиз. Синтез-газ имеет высокий КПД тепловой конверсии. Он может употребляться для получения метанола, этанола и углеводородов. [4–2].

Интерес к газификации вновь возрос во время энергетического кризиса 70-х годов, а затем упал вместе с снижением цен на нефть в 80х годах. По оценкам Мирового Банка (1989) всего лишь 1000–3000 газификаторов установлено в мире, преимущественно в Южной Америке для производства древесного угля. [4].

Газификация древесины.

Газификация древесины называется также газогенерацией или сухой перегонкой. Монооксид углерода, метиловый газ, метан, водород, газообразные углеводороды и другие компоненты в различных пропорциях могут быть получены с помощью нагрева или сжигания древесины в условиях отсутствия или недостатка кислорода. В разных процессах получаются разные продукты. Если при сжигании древесины обеспечить необходимое количество кислорода, то в процессе такого сжигания образуются двуокись углерода, вода, небольшое количество золы (соответствующее содержанию неорганических веществ) и тепло. Этот тип сжигания реализуется в обычных древесносжигающих печах. После начала процесса горения можно ограничить поступление воздуха. При этом горение будет продолжаться, но с частичным сгоранием. В случае полного сгорания углеводорода (древесина в основном состоит из углеводородов) кислород объединяется с углеродом, а также с водородом. В результате чего получаются CO₂ (двуокись углерода) и H₂O (вода). Ограниченное количество воздуха и тепло обеспечивают продолжение неполного сгорания. В этих условиях один атом кислорода объединяется с одним атомом углерода, в то время как водород взаимодействует с кислородом лишь частично. В результате получается монооксид углерода, вода и газообразный водород. Кроме того, образуются и другие компоненты, например, углерод в виде дыма. Под воздействием тепла разрываются химические связи в молекулах сложных углеводородов, содержащихся в древесине (а также в любом другом углеводородном топливе). Одновременно в процессе объединения атомов углерода и водорода с кислородом выделяется тепло. Таким образом, процесс поддерживает сам себя. Если количество воздуха недостаточно, то в результате такого процесса образуется достаточно тепла для разложения молекул древесины, но продуктами этого процесса будут монооксид углерода и водород – горючие газы. Другие продукты неполного сгорания – это преимущественно диоксид углерода и вода.[4–4].

В процессе возгонки древесины образуются метан, метиловый газ, водород, углекислый и угарный газы, древесный спирт, углерод, вода, а также многие малые добавки. Количество метана может достигать 75 %.[4–4].

При воздушной газификации производится генераторный газ (ГГ) с высшей тепотворной способностью 4…6 МДж/м³ (низкокалорийный газ). Этот газ можно сжигать в котлах, после очистки – в газовых двигателях или турбинах, но он не пригоден для транспортировки по рыбоводу, ввиду низкой энергетической плотности. Газификация с использованием кислорода дает средне-калорийный газ (10… 12 МДж/м³), пригодный для ограниченной транспортировки по трубопроводу и для использования в качестве синтез-газ с целью получения метанола и газолина. Среднекалорийный газ (15…20 МДж/м³) может быть получен также путем паровой (пиролитической) газификации. Это двухстадийный процесс, реализуемый в двух реакторах кипящего слоя. [5–5].

Основные технологии могут быть разделены на газификацию в плотном (неподвижном) слое с восходящим/ нисходящим/ поперечным движением газа, газификацию в кипящем слое (стационарный КС, ЦКС, два реактора КС) и газификацию в потоке. [5–5].

Особенностью реактора с НДГ – это движение газа вниз через опускающийся плотный слой сырья. Такая технология обеспечивает получение почти чистого генераторного газа с содержанием смол 50…500 мг/нм³. ГГ может использоваться в газодизельных электростанциях небольшой мощности. В гафикаторах плотного слоя с ВДГ биомасса, поступающая сверху вниз, сначала просушивается ГГ, который движется вверх. Затем твердое сырье пиролизируется с образованием углистого вещества, которое продолжает двигаться вниз и проходит стадию газификации. Парообразные продукты пиролиза уносятся вверх горячим ГГ. Смолы, содержащиеся в этих продуктах, конденсируются на холодном опускающемся сырье или уносятся из реактора произведенным газом. Таким образом, концентрация смол в генераторном газе увеличивается и может достигать 10…100 г/нм³. Ввиду значительного содержания смол, без дополнительной очистки газ может только сжигаться в котле, расположенном в непосредственной близости от установки. Газификаторы с ПДГ в работе во многом сходны с газификаторами с НДГ. Воздух или смесь воздуха с паром подводятся в реактор через боковую стенку в нижней части корпуса реактора. ГГ отводится из реактора с противоположной стороны. Широкого распространения газификаторы данной конструкции не получили. Отличительными особенностями газификаторов с КС по сравнению с реакторами плотного слоя являются высокие скорости тепло– и массопереноса и хорошее перемешивание твердой фазы, что обеспечивает высокие скорости реакции и близкую к постоянной температуру слоя. Частицы сырья должны быть более мелкими, чем при газификации в плотном слое, то есть необходимо дополнительное измельчение. Реакторы с КС – единственный вид газификаторов, работающих с изотермическим слоем сырья. Производится ГГ с содержанием смол 5…10 г/нм³, что является средним показателем между газификацией с ВДГ и НДГ. При газификации в ЦКС частицы, унесенные из реактора потоком газа, отделяются от ГГ в циклоне и возвращаются обратно в слой для увеличения степени конверсии углерода. Произведенный ГГ в большинстве коммерческих приложений используется для сжигания в котлах. Технология газификации биомассы в КС и ЦКС может быть реализована как при атмосферном, так и при высоком давлении. Преимущества этой технологии проявляются при использовании в крупных парогазотурбинных установках с внутрицикловой газификацией БМ. В этом случае не требуется дополнительного сжатия ГГ перед подачей в камеру сгорания газовой турбины. Установка с двумя реакторами КС позволяет получить ГГ с более высокой теплотворной способностью, чем в случае одного КС с воздушным дутьем. Первый реактор по своей функции близок к пиролизу. Теплота привносится в него горячим песком, циркулирующим между двумя ректорами. Смесь генераторного газа, густого вещества, золы и песка из газификатора поступает в циклон, где твердая фракция отделяется и попадает во второй реактор с КС (камеру сгорания). Углистое вещество сгорает, а нагретый песок возвращается в первый реактор. Произведенный генераторный газ имеет высокую теплотворную способность, однако содержит много смол, поскольку процесс конверсии сырья близок к пиролитическому. До настоящего времени имеется небольшой опыт работы с БМ в таких установках. Среди других видов реакторов можно выделить [4–5]:

• Реактор с движущимся слоем (горизонтальный слой, наклонный слой, многокамерная печь, печь со шнеком): механическое перемещение слоя сырья. Газификация в таком реакторе обычно является низкотемпературной.

• Вращающаяся печь: в основном используются для переработки отходов ввиду хорошего контакта газа и твердых частиц и хорошего перемешивания сырья. Необходима тщательно продуманная конструкция для избежания уноса твердых частиц.

• Циклонные и вихревые реакторы: высокие скорости движения частиц обеспечивают высокие скорости протекания реакций. Циклонные газификаторы отличаются простотой конструкции. Однако они лишь недавно стали применяться для конверсии биомассы, и технология еще не до конца отработана.

4.1.4. Коммерческие и демонстрационные установки газификации биомассы с целью выработки теплоты в Европейских странах и США [4–5]

Газификация БМ с целью получения тепловой энергии достигла коммерческого уровня. Наиболее известными сегодня являются газификаторы с ВДГ Bioneer компании Bioneer Oy (теперь Foster Wheeler Energia Oy, Финляндия) и реакторы PRM Energy Systems, Inc. (США), газификаторы с ЦКС Pyroflow компании A. Ahlstrom Oy (теперь Foster Wheeler Energia Oy) а также компаний Lurgi Energie und Umwelt (Германия) и TPS Termiska Processer AB (Швеция). Foster Wheeler Energia Oy входит в состав Foster Wheeler Corporation с главным офисом в США [3]. Кроме упомянутых выше, в мире имеется около 25 производителей газификаторов с НДГ и более 10 производителей газификаторов с КС и ЦКС; ряд компаний выпускает реакторы с ВДГ и другие виды. Производители газификаторов с НДГ – это, в основном, мелкие компании, выпускающие газификационные системы небольшой мощности (ректор + двигатель внутреннего сгорания) и уже соорудившие 1–2 демонстрационные установки. Среди крупных производителей газификаторов можно выделить PRIMENERGY Inc. (США, ВДГ), Babcock & Wilcox Volund ApS (Дания, ВДГ), KARA Energy Systems BV (Нидерланды, НДГ, КС), Kvaerner Pulping AB Power Division (Швеция, ЦКС), Future Energy GmbH (Германия, НДГ, газификация в потоке). На установках, производящих только тепловую энергию, генераторный газ, в основном, сжигается в котлах или используется в печах для обжига извести. [4–5].

4.1.4.1. Газификатор Bioneer с восходящим движением газа

Газификатор Bioneer с ВДГ разработан в Финляндии компанией VTT в сотрудничестве с SME Company. Bioneer проводит низкокалорийный генераторный газ с большим содержанием смол. Генераторный газ может применяться на тепловых станциях 1…15 МВтт и мини-ТЕЦ 1…3 МВтэ, на дизельных электростанциях после каталитической очистки. В 1982–1986 гг. были построены девять газификаторов Bioneer (4…5 МВтт) и введены в эксплуатацию на коммерческом уровне в Финляндии и Швеции: восемь – на тепловых станциях малой мощности, один – в паре с сушильной печью. Газификаторы Bioneer полностью автоматизированы. В настоящее время технология газификации, подобная Bioneer, предлагается также компанией Carbona Oy (Финляндия) [4–5].

В целом, газификация в плотном слое с ВДГ проявила себя как надежная и экономически жизнеспособная технология для использования на тепловых станциях небольшой мощности. Требования к качеству сырья соответствуют способу применения генераторного газасжигание в котле. Наиболее подходящим топливом является древесная щепа, тогда как газификация измельченной коры, опилок и измельченной строительной древесины вызывает определенные проблемы.

4.1.4.2. Газификатор Pyroflow с циркулирующим кипящим слоем

Газификатор Pyroflow с ЦКС разработан компанией A. Ahlstrom Oy. Первый коммерческий газификатор мощностью 35 МВтт был установлен в 1983 г. для обжиговой печи компании Wisaforest Oy (Финляндия). После этого еще три газификатора мощностью 15…35 Мвтт были установлены для коммерческого использования полученного газа в обжиговых печах в Швеции и Португалии.

Простая технология газификации, реализованная на ТЭЦ Kymijarvi, подходит только для древесной биомассы и чистой горючей части отходов. При такой техноогии много золы вместе с генераторным газом попадает в угольный котел. Использование ряда других потенциальных видов биомассы (солома, энергетические культуры) и отходов (промышленные, ТБО) практически невозможно, поскольку они содержат большое количество хлора, щелочных металлов и алюминия, которые вызывают коррозию и засорение трактов котла 4–5].

4.1.4.3. Газификатор Lurgi с циркулирующим кипящим слоем

Немецкая компания Lurgi Energie und Umwelt является известным разработчиком и производителем газификаторов с циркулирующим кипящим слоем. Первый коммерческий газификатор мощностью 27 МВтт был установлен в 1987 г. на крупной бумажной фабрике в Австрии и работал на древесной коре. Процесс газификации протекал при давлении около 1 бара, проведенный ГГ частично охлаждался и сжигался в печи для обжига извести. С 1996 г. реактор Lurgi 100 МВтт эксплуатируется на цементном заводе в Rudersdorf (Германия). Генераторный газ используется в кальцинаторе цементной печи, обеспечивая 30…40 % необходимой тепловой энергии. Зола применяется для производства цемента. Газификатор работает только на достаточно чистой биомассе (древесных отходах). Lurgi имеет также установки на электростанциях в Нидерландах и Италии.[4–5].

4.1.4.4. Газификатор PRM Energy Systems с восходящим движением газа

PRM Energy Systems (США) уже более 20 лет специализируется на коммерческих газификаторах ВДГ и имеет 19 установок, работающих на пяти континентах мира. Ежегодно на этих установках перерабатывается около 500 тыс. т биомассы, в основном, рисовой шелухи.

Как правило, произведенная тепловая энергия используется в промышленных сушильных аппаратах или в промышленных технологических процессах в виде насыщенного пара низкого давления. Ряд установок также вырабатывают электроэнергию. Первые два коммерческих газификатора были внедрены на крупной фабрике по переработке риса в 1982 г. в США. Произведенный ГГ сжигается в котле, замещая потребление природного газа, а пар используется в сушильных аппаратах. С 1985 г. газификаторы этой компании работают в Австралии, с 1987 г. – в Малайзии, с 1995 г. – в Коста-Рике.

Одна из последних установок PRM Energy Systems (4 МВтэ) построена в 2003 г. в Rossano (Италия). Она состоит из газификатора PRMES KC-18, системы охлаждения, очистки и контроля качества генераторного газа, а также шести газовых двигателей Guascor S.A. (Испания). Газификатор работает на жмыхе маслин (потребление 4500 кг/час) без какой-либо предварительной подготовки сырья.[5–5].

4.1.4.5.Другие газификаторы

Организация Wamsler Umwelttechnik GmbH (теперь Hugo Petersen Umwel-tengineering, Германия) имеет успешный опыт работ по созданию газификационных установок с нисходящим движением газа. В 1994 г. три такие установки тепловой мощностью 0,6…1,5 МВт были запущены в Германии, с 1998 г. работает демонстрационная установка мощностью 0,6 МВт. Wamsler также имеет опыт в очистке генераторного газа в скрубберах и эксплуатации газодизельного двигателя мощностью 200 кВтэ, работающего на генераторном газе.[5–5].

Институт технологий газа (Institute of Gas Technology, США) и фирма Enviropower Inc. (совместное предприятие Tampella Power Systems, Финляндия, и Vattenfall AB, Швеция), теперь Carbona Inc. (Финляндия), провели работы по доведению до коммерческого уровня технологии газификации БМ под давлением с использованием парогазотурбинных установок. В рамках этой программы в г. Тамере (Финляндия) была сооружена и в 1993 г. запущена пилотная установка с газификатором Tampella ЦКС мощностью 15 МВтт. Установка использовалась для отработки газификации под давлением и производства тепловой энергии. Было наработано более 2000 часов и переработано более 5000 т сырья. Сырьем для газификации служит смесь кокса, биомассы и угля. Биомасса представляет собой различные виды древесных отходов, солому и стебли люцерны. Сырье подвергается предварительному измельчению и просушке. Газификация протекает при температуре 850 °C и давлении 20 бар. [5].

Совместные работы Института технологий газа и Carbona Inc. закончились созданием коммерческого газификатора IGT RENUGASTM. Газификация в этом реакторе проходит при температуре 840…950 °C. Дутьем является смесь воздуха и пара. В настоящее время установка мощностью 8 МВтэ действует на сахарном заводе в Paia, Гавайи (мощность по сухому сырью 50 т/день).

4.1.5. Сжижение

Производство жидкого топлива из биомассы путем термической конверсии: термический пиролиз или газификация в присутствии катализаторов. Реакции происходит так, чтобы в качестве основного продукта получалось жидкое топливо, и при этом можно производить уголь и газ.

4.1.6. Быстрый пиролиз

Биомасса в течение короткого времени подвергается воздействию экстремально высоких температур (700… 1 400 °C), в результате которого происходят быстрое разложение исходных продуктов и образование новых соединений: этанола, пропилена, углеводородов, близких к бензину. Газ, получаемый с помощью быстрого пиролиза, содержит водород, метан, этилен, пропилен. Использование быстрого пиролиза биомассы выгоднее, чем пиролиза угля, так как биомасса содержит значительно меньше золы, и ее можно подвергнуть воздействию более низких температур. Этому направлению, очевидно, принадлежит будущее. [4–2]

4.1.7. Синтез

Каталитический синтез метанола из газов, образующихся при термической конверсии биомассы. Изменяя температуру и давление, а также используя уникальные катализаторы, кроме метанола можно получить целый ряд других соединений. Промежуточные соединения образуются и из лигнина. Из 1 т древесины можно синтезировать 410…540 л метанола. Если синтез производить в присутствии водорода, получающегося при электролизе воды, то выход метанола увеличивается до 1 400 л. [4–2].

4.1.8. Синтетические топлива

В газификаторах, использующих кислород вместо воздуха, можно получать газ, состоящий преимущественно из H2, CO и CO₂. Представляет интерес то обстоятельство, что после удаления СО₂ можно получить так называемый синтез-газ, из которого в свою очередь можно синтезировать практически любое углеводородное сырье. В частности, при взаимодействии Н₂ и СО получается чистый метан. Другим возможным продуктом является метанол – жидкий углеводород с теплотворной способностью 23 ГДж/т. Производство метанола требует организации сложного химического процесса с высокими температурами и давлением и дорогого оборудования. Несмотря на это, интерес к производству метанола объясняется тем, что он представляет собой ценный продукт – жидкое топливо, способное непосредственно заменить бензин. В настоящее время производство метанола с использованием синтез-газа не является коммерческим. Однако технология существует для использования угля в качестве сырья. Она была развита странами, имеющими большой угольный потенциал, в периоды перебоев с поставками нефти. [4]. Разработан процесс ожижения растительной биомассы методом гидрогенизации при 350 °C под давлением водорода при 6,4 МПа. Из 1 т биомассы получают 24 кг синтетической нефти и 160 кг остатка типа асфальта.[6]. Одним из методов получения жидких моторных топлив является термическое растворение древесины в нефтяных фракциях при 380–450 °C под давлением 10,0 МПа. При этом происходит ожижение древесины.[4–6] В США имеется экспериментальная установка, где из 1000 кг древесной щепы получается 300 кг топлива типа сырой нефти. Процесс ведут при давлении 28 МПа и температуре 350–375 °C. В качестве катализатора применяют карбонат натрия.[4–6]

В ряде стран (Италия, ФРГ, Аргентина и др.) созданы специальные энергетические плантации быстрорастущих пород древесины и других пород на землях, не пригодных для сельского хозяйства.

Плантации ивы в Швеции на заболоченных землях дают 25 т древесины с 1 га в год. Сбор древесины осуществляется через 2 года специальными комбайнами в зимнее время года, когда заболоченная земля замерзает. С 1 млн. га получается 15 млн. т древесины в виде сухого древесного топлива, что эквивалентно 20 % энергии, необходимой для этой страны.

В рамках Западноевропейской программы развития возобновляемых энергоресурсов в Италии пущен крупный биоэнергетический комплекс, рассчитанный на ежегодную переработку 300 тыс. т быстрорастущей биомассы и органических отходов. Помимо газа и тяжелых остатков будет получено 20 тыс. т жидкого топлива. В Германии имеются большие плантации рапса, из которого получают смазочные масла и дизельное топливо.

4.2. Биотехнологии

К биотехнологиям относятся такие процессы, как: биогазовые технологии; производство этанола, бутанола, изобутанола; получение биодизельных топлив, жирных кислот, растительных углеводородов; производство биоводорода, получение тепловой энергии.

4.2.1. Биогазовые технологии

Биогаз – смесь метана и углекислого газа – продукт метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения, осуществляемого специфическим природным биоценозом анаэробных бактерий различных физиологических групп. Метановое брожение протекает при температурах от 10 до 55 °C в трех четко определенных диапазонах: 10…25 °C – психрофильное; 25…40 °C – мезофильное; 52…55 °C – термофильное; влажность составляет от 8 до 99 %, оптимальная 92–93 %.

Содержание метана в биогазе варьируется в зависимости от химических свойств сырья и может составлять от 50 до 90 %. В зависимости от природы исходного сырья изменяется и выход биогаза: от 200 до 600 л на 1 т абсолютно сухого вещества.

К настоящему времени разработано и применяется множество технологий получения биогаза, основанных на использовании различных вариаций температурного режима, влажности, концентраций бактериальной массы, длительности протекания биореакций.

4.2.2. Биогаз полигонов ТБО (свалочный газ)

Большая часть муниципальных отходов – твердых бытовых отходов (ТБО) – представляет собой биологические материалы, а их вывоз на полигоны создает пригодные условия для анаэробного сбраживания. ТБО имеют более сложный состав, чем сырье в биогазовых установках. Сбраживание происходит медленнее, обычно в течение нескольких лет, а не недель. Конечный продукт, известный под названием «свалочный газ», также представляет собой смесь преимущественно CH₄ и CO₂. Теоретически выход газа в течение «жизни» полигона может составить 150–300 м³ на тонну ТБО при концентрации метана от 50 до 60 объемных процентов. Это соответствует 5–6 ГДж энергии на тонну ТБО. На практике выход биогаза меньше.

Все больше свалочный газ используется для производства электроэнергии. В настоящее время большинство установок использует двигатели внутреннего сгорания, например, стандартные судовые двигатели. При типичном выходе газа, равном 10ГДж/час, могут быть установлены двигатель и генератор мощностью 500 кВт.[4–4].

4.2.3. Производство этанола

Этанол, а также другие низшие спирты, альдегиды и кетоны – продукты спиртового брожения разнообразных сахаро– и крахмалосодержащих субстратов. Однако наиболее распространенными видами сырья для производства этанола являются отходы сахарного производства: багасса или меласса (сахарная свекла), а также крахмал кукурузы, сорго, картофеля, пшеницы и риса. В России этанол получают также при брожении гидролизатов древесины (целлюлозы).

Наиболее значительный интерес в мире к жидким биотопливам (особенно к этанолу) для использования на транспорте появился в период с 1970 по 1990 г. и обязан этим высоким ценам на нефть. Однако и в настоящее время в развивающихся странах он имеет тенденцию к продолжению вследствие экологических проблем [4–3].

В некоторых странах этанол в чистом виде или в смеси с бензином (газо-хол) широко применялся в 70-е годы для двигателей внутреннего сгорания.

Наиболее значительный интерес в мире к жидким биотопливам (особенно к этанолу) для использования на транспорте появился в период с 1970 по 1990 г. и обязан этим высоким ценам на нефть. [4–7].

В последние годы разработаны технологии получения биоэтанола из синтез-газа, что значительно расширяет сырьевые возможности от лигноцеллюлозы до угля. Эти технологии включены в производственную цепочку получения углеводородов – биокеросина и биобензина.

Продуктивность 1 акра пашни по этанолу в США:

1 акр кукурузы = 150–300 бушелей кукурузы = 420–840 галлонов (1.9 – 3.8 куб. м) этанола.

2) 1 акр травы = 5-15 тонн растительного материала = 1501200 галлонов (0.7 – 5.5 куб. м) этанола.[8].

4.2.4. Биодизельное топливо

Биодизельное топливо имеет те же характеристики, что и обычные дизельные масла, которые могут использоваться в дизельных двигателях. Биодизельное топливо может быть получено из любого маслосодержащего растения – семян рапса, сои, кактусов и т. д… Преимущество биодизельного топлива состоит в том, что его производство основано на широко известных технологиях получения растительных масел с их дальнейшим метилированные и растительных углеводородов.

В 80-е годы возрос интерес к растительным углеводородам. Как правило, эффективные продуценты углеводородов и масел являются представителями тропической и субтропической флоры. Однако и в умеренном климате имеются культурные растения, семена которых содержат значительные количество масел, – подсолнечник, конопля, лен, рапс и др.

4.2.5. Получение тепловой энергии активным компостированием (микробное окисление)

Использование этого метода для утилизации твердой биомассы и, прежде всего, твердых органических отходов также может внести существенный вклад в энергетику, в частности, в производство тепловой энергии. Метод основан на процессе бактериального окисления твердых органических веществ с образованием тепловой энергии, которая повышает температуру пропускаемого воздуха до 80…90 °C. Путем компрессии температуру выходящих газов можно поднять до 110 °C. В некоторых странах, например, в Японии, разработаны опытно-промышленные установки КПД которых достигает 95 % [4–2].

К 2030 году потребление энергии в мире вырастет на 60 % [4–9]. Эта тенденция потребует увеличения производства различных видов энергоносителей и их источников.

Одна из особенностей решения этой проблемы в ХХI веке состоит в том, что энергопроизводство должно быть экологически чистым.

Все вышесказанное потребует увеличения вклада биомассы в общий энергобаланс.

4.3. Химико-каталитическая конверсия продуктов расщепления растительных полимеров в жидкие углеводороды

4.3.1.Применение биотоплива в авиации

15 июля 2011 г. немецкая авиакомпания Lufthansa запустила первый коммерческий рейс по маршруту Гамбург – Франкфурт – на – Майне на смеси традиционного керосина и биотоплива, произведенного финской компанией Neste Oil. Использование биотоплива NExNTL стало возможным в авиации после 1 июля 2011 г., когда данный вид топлива был одобрен ASTM International – Американским обществом испытаний и материалов.[4-10].

Neste Oil принимает активное участие в программе ЕС “Европейский план авиаперевозок на биотопливе, которая поставила цель использования биотоплива и других ВИЭ в авиации в объеме 2 млн. тонн к 2020 г. Lufthansa Airbus A321 с регистрацией D-AIDG будет летать по маршруту Гамбург-Франкфурт-Гамбург четыре раза в день. Один из его двигателей будет работать на 50/50 смесь регулярных топлива и биосинтетических керосин. Био-синтетических керосин, используемые Lufthansa, получается из биомассы, состоящей из ятрофы, рыжика(растение) и животных жиров.[4-11]. Ранее биотоплива в авиации были испытаны в ряде стран.

Штурмовик А-10 летает на смеси биотоплива и авиакеросина 29 марта 2010 г.

Рис. 4–2. «Военный Паритет».

26 марта штурмовик А-10 Thunderbolt II совершил первый полет с использованием в обоих двигателях топлива со смесью биотоплива и обычного авиакеросина JP-8. Полет состоялся на базе Эглин ВВС США, расположенного вблизи Вальпараисо (штат Флорида).

Это был первый полет летательного аппарата, вся силовая установка которого работала на биотопливе. Испытательный полет явился частью работ по разработке этого вида топлива (программа HRJ – hydrotreated renewable jet), который в отличие от обычного реактивного топлива горит чище, без выделения таких соединений как сера. Работами по созданию биотоплива занимается НИИ Дейтонского университета (штат Огайо).

В качестве биокомпонента послужило семейство растений камелина, родственное горчице, капусте и брокколи, но не используемое в качестве пищи. При сжигании биотоплива уменьшается выброс твердых частиц. Это событие знаменует собой важный этап программы разработки альтернативных топлив. Такой вид топлива пройдет сертификацию на самолетах F-15 Eagle, F-22 Raptor и C-17 Globemaster III.

К 2016 году доля использования в ВВС США альтернативных видов топлива должна составить 50 %. Как заявил помощник министра

ВВС по окружающей среде и логистике Терри Йонкерс (Terry Yonkers), полет штурмовика А-10 на альтернативном топливе «подчеркивает нашу приверженность по продвижению технологий по увеличению использования возобновляемых источников энергии и сокращения объемов импортируемой нефти». [4-12].

Королевские ВВС Нидерландов недавно провели успешные испытания полетов вертолета Apache на авиабазе Gilzen-Rijen, что в Нидерландах, в ходе которых один из двух двигателей вертолета питался от альтернативного биологического топлива. Ассистентом подготовки и проведения тестирования выступила Национальная аэрокосмическая лаборатория США (NRL). В качестве биотоплива Королевские ВВС использовали смесь в процентном соотношении 50/50 устойчивого биокеросина и стандартного реактивного топлива, используемого в авиации, – чтобы удовлетворить требованиям годности к лётной эксплуатации. [4-13]

Для проведения лётных испытаний биокеросин был произведен с использованием биомассы на основе морских водорослей в количестве 5 процентов и использованного растительного масла – 45 процентов от общего объема топлива для вертолета. В некотором смысле можно считать, что состоялась мировая премьера такого вида биотоплива для двигателей вертолета.

Во время тестового полета вертолета Apache аэрокосмическая лаборатория проводила различные измерения с использованием общей измерительной системы (GIS). Эта система измеряет данные о вертолете и сохраняет их для последующей обработки в системе Omega. В частности, полученные данные GIS о показателях вертолета позволили исследователям NRL определить, что оба двигателя работали в рамках допустимых пределов, и ни вертолет, ни экипаж не сталкивались с рисками безопасности во время полета.

По сообщениям агентства Интерфакс, 25 февраля 2011 г. самолет "Боинг-747" компании Virgin Atlantic, заправленный биотопливом, совершил первый пробный полет по маршруту Лондон – Амстердам. "Один из его четырех двигателей работал на топливе, полученном из растительной массы. Полет был призван доказать, что биотопливо не замерзнет на высоте свыше пяти тысяч метров", – сообщила в понедельник британская телерадиовещательная корпорация Би-би-си.

Десять авиакомпаний согласиться приобрести топлива для реактивных двигателей, полученные из биомассы.

Группа из 10 авиакомпаний, восемь, базирующихся в США (American Air-lines и United Континентальный Holdings, также включает в себя Alaska Airlines, FedEx, Frontier Airlines, JetBlue Airways,

Southwest Airlines и США Airways), а также Air Canada и Lufthansa, подписали письма о намерениях с Вашингтоном на основе топлива Solena приобрести будущих поставок топлива для реактивных двигателей, полученные исключительно из отходов биомассы.

Рис. 4–3. Боинг 777–200. [4-14].

Согласно плану, топлива будут изготовлены из переработанных городских и сельскохозяйственных отходов на заводе, который будет построен компанией Solena в округе Санта-Клара, штат Калифорния, в 2013 году, и доставляться в аэропорты в Сан-Франциско, Окленд и Сан– Хосе.

Из биомассы в 2015 году будет производить до 16 миллионов галлонов реактивного топлива поддержки деятельности авиакомпаний в трех аэропортах. В рамках проекта будут перерабатывать около 550 000 тонн отходов, которые в противном случае пойдет на свалку, в то же время производство топлива для реактивных двигателей с низким уровнем выбросов парниковых газов и местных загрязняющих веществ, чем топлива на основе нефти.

Источники сообщили, что на основе реактивного топлива из биомассы будет сожжено с традиционным реактивным топливом, возможно, до 50/50 смесь, и будут распределены между авиакомпаниями пропорционально в зависимости от их использования топлива в аэропортах.

За этим соглашением последует ряд других… Solena Group, а также передовые компании в области биоэнергетики и биотоплива, подписали соглашения в этом году с перевозчиками по всему миру. LOI с British Airways создадут первый в Европе завод по производству авиационного биотоплива в восточном Лондоне с целью преобразования 550000 тонн отходов в год, в противном случае, предназначенные для свалки мощностью на 16 миллионов галлонов реактивного биотоплива.[4-15].

После ввода в эксплуатацию в 2014 году этот завод стоимостью 200 млн фунтов будет конвертировать до 500,000 тыс. тонн отходов в год в 16 млн. галлонов авиабиотоплива, которого будет достаточно для питания 2 % своих самолётов на главной базе в Хитроу.

Аналогичный завод планируется построить в Австралии.

Компания Solena ведущая в мире по производству транспортных биотоплив уверена, что самолеты могут работать на чистом биотоплива без смешения с нефтяным реактивным топливом.

Эксперты уверены, что в ближайшем будущем авиационное биотопливо будет дешевле нефтяного из-за более высоких цен на нефть.

В качестве основного сырьевого источника для производства авиационных биолтоплив эксперты рассматривают морские и пресноводные водоросли. [4-15].

Производство реактивного биотоплива для всеобъемлющего использования в высокоскоростной авиации может быть ограничено объемом выращиваемых в мире сельскохозяйственных продуктов, содержащих растительные масла или углеводороды. Эту проблему удалось решить команде из Висконсинского Университета, штат Медисон, США.

Технология основана на деградации сахаров на левулиновую и муравьинную кислоты.

Эти кислоты далее под воздействием металлических катализаторов превращаются в гамма-валеролактон – (GVL), из которого получают реактивное биотопливо.

Каталитическая переработка гамма-валеролактона является ключом к будущим полетам и к замене природного углеводородного топлива на возобновимое.

Биологическое топливо – один из основных трендов последнего времени, наряду с «зеленой химией» и глобальным потеплением. Ученые соревнуются между собой в разработке наиболее эффективных методов переработки растительного сырья как восполняемого источника энергии и наименее энергозатратных методов выделения топлива из ферментационных смесей.

Разработанная методика позволяет извлечь из исходной биомассы до 95 % энергии и не требует больших количеств водорода.

Группа исследователей, сообщивших об этом открытии, специализируется на переработке целлюлозной биомассы в транспортные топлива. Однако до этого в их методиках был большой недостаток: получаемые сахара расщеплялись до левулиновой (4-оксовалериановой) и муравьиной кислот. Существующие методики не позволяли перерабатывать эти соединения в полезные топлива.

Ученым удалось подобрать металлический катализатор, в присутствии которого левулиновая и муравьиная кислота образуют гамма-валеролактон. На первом этапе гамма-валеролактон расщепляется на бутен и углекислый газ.

На втором этапе из бутена получают алкеновые олигомеры. Авторы методики утверждают, что ее использование возможно в промышленных масштабах и не требует особенно сложного оборудования или катализаторов.

Об актуальности исследования говорит то, что до сих пор из биомассы чаще всего получают лишь этанол и другие низшие спирты. Они в больших объемах могут добавляться в бензин, не изменяя свойств и достоинств автомобильного топлива, однако совершенно не могут использоваться как авиатопливо из-за низкой энергоемкости. Кроме того, и для автомобилей спирты могут служить лишь добавкой к акантовому (углеводородному) топливу. А вот углеводороды, производимые из гамма-валеролактона, практически, эквивалентны используемым в современной инфраструктуре (с той разницей, что алканы – углеводороды насыщенного ряда, а алкены – ненасыщенного, и для получения алканов их нужно гидрировать). До сих пор наибольшую проблему для внедрения нового топлива представляла высокая цена гамма-валеролактона, так как методики его получения были дорогими и несовершенными. Теперь ученые работают над созданием более эффективных и простых методик его промышленной выработки. В качестве сырья для получения данного эфира рассматриваются такие биологические объекты, как древесина, стебли и листва кукурузы, прутьевидное просо и другая непищевая биомасса. «Как только будет найден эффективный способ промышленного синтеза гамма-валеролактона, путь к неограниченному получению возобновляемого авиатоплива будет полностью открыт», – заключают авторы работы.

4.3.2. Применение биотоплива в других видах транспорта

В мире существует три лидера по использованию жидкого моторного биотоплива: Бразилия, США и Европейский Союз. И каждый имеет свои мотивы перевода транспорта с бензина на биодизель или биоэтанол. Бразилия использует этанол из сахарного тростника, чтобы не зависеть от импорта нефти.

В США распространяется этанол из маиса (кукурузы), для того чтобы поддержать местное сельское хозяйство, с одной стороны, а с другой – улучшить состояние окружающей среды.

Европейский Союз, внедряя новые биотопливные технологии, преследует сразу несколько целей: ликвидация зависимости от импорта нефти, предотвращение глобального потепления климата, выполнение обязательств по Киотскому Протоколу, а также развитие сельского хозяйства. В 2010 году ЕС намерен использовать биотопливо в 5,75 % автомашин. К 2020 году эта цифра должна увеличиться до 8 %. Пока доля моторного биотоплива в странах Европейского Союза – порядка 2 %.

Таблица 4-1

Прогнозы ЕС по замене биотоплива

В последнее время начали бурно обсуждать новый вид биотоплива: BtL (Bio-mass-to-Liquid). BtL производят из древесины и отходов деревообработки (промежуточный продукт: син-газ). Преимущество этого вида топлива перед биоэтанолом и биодизелем состоит в том, что, в отличие от упомянутых продуктов, при производстве BtL древесина полностью перерабатывается.

В то же самое время BtL может производиться из любого вида биомассы, к тому же, по заявлению производителей этого топлива, для перевода автомобилей на него не требуется модификация современных двигателей.

По оценке немецких ученых, если BtL займет 20 % рынка ЕС, то в Европе можно уменьшить выбросы CO₂ на 200 млн тонн. С другой стороны, в Германии, например, наиболее популярным видом биотоплива остается пока биодизель. В 2004 году немцы произвели 1,1 млн тонн биодизеля (в основном из рапса). 323 тысяч тонн было продано в самой Германии. Для сравнения, потребление обычного дизеля в этой стране составляет 30 млн тонн в год.

Топливные компании (Shell, Total, Neste) и автомобильные гиганты со всего мира (DaimlerChrysler, Volkswagen, Volvo (Ford) открывают программы по переводу автомобилей с традиционного топлива на возобновляемое.

DaimlerChrysler сейчас активно говорит о внедрении в своих автомобилях биотоплива – BtL. Ford недавно заявил о начале продажи в Швеции нового поколения Focus и Focus C-MAX 1.8 в версии FFV на биотопливе. FFV могут ездить как на биоэтаноле, так и на бензине.

General Motors уже продает в Швеции “экологичные” версии моделей Saab и Opel. Обе модели также могут работать на биоэтаноле (который содержит 15 % бензина), на бензине и на смеси этих видов топлива в любой пропорции.

4.4. Получение моторных топлив из газов [4-16]

До середины XIX в. человечество использовало в качестве теплоносителя для бытовых и промышленных целей (металлургия, паровые машины и др.) почти исключительно биомассу растений и продукты ее переработки (древесный уголь).

При использовании в качестве энергоносителя газа, нефти и угля возникает ряд проблем, связанных с ограниченными запасами горючих ископаемых, в особенности нефти. Помимо истощения запасов нефти важными проблемами являются перевозка на большие расстояния и хранение всех видов топлив.

В Норвегии применяются передвижные установки на лесосеках, где перерабатываются растительные отходы методом пиролиза. Производительность отдельной установки от 10 до 30 т древесного угля в сутки [4-16]. При пиролизе из 1 т отходов (щепа) получается 280 кг угля, 200 кг смолы пиролиза и около 222 кг газообразного топлива. Газообразное топливо используется для поддержания процесса пиролиза. Смола пиролиза применяется как котельное топливо или подвергается гидрооблагораживанию под давлением водорода для получения бензина и дизельного топлива. Стационарные установки пиролиза могут иметь до 40 печей и рассчитаны на переработку 300–350 тыс. т органических отходов в год [4-16].

В ряде стран (Италия, ФРГ, Аргентина и др.) созданы специальные энергетические плантации быстрорастущих пород древесины и других пород на землях, не пригодных для сельского хозяйства.

Плантации ивы в Швеции на заболоченных землях дают 25 т древесины с 1 га в год. Сбор древесины осуществляется через 2 года специальными комбайнами в зимнее время года, когда заболоченная земля замерзает. С 1 млн. га получается 15 млн. т древесины в виде сухого древесного топлива, что эквивалентно 20 % энергии, необходимой для этой страны [16].

В рамках Западно-Европейской программы развития возобновляемых энергоресурсов в Италии пущен крупный биоэнергетический комплекс, рассчитанный на ежегодную переработку 300 тыс. т быстрорастущей биомассы и органических отходов. Помимо газа и тяжелых остатков будет получено 20 тыс. т жидкого топлива. В Германии имеются большие плантации рапса, из которого получают смазочные масла и дизельное топливо.

В Латинской Америке, США и Франции из биомассы (отходов сахарного тростника, кукурузы и др.) получают этанол, используя обычно процессы брожения. В Бразилии получается более 10 млн. т этанола, который применяют как основное топливо для автомобилей (96 %-ный этанол) или в смеси с бензином – топливо “Газохол” (22 % этанола с 78 % бензина). В США из кукурузы получают более 3 млн. т этанола, который применяют в качестве добавки к бензину (5—10 %) для повышения октанового числа и улучшения процессов сгорания.

Для использования в моторных топливах предложены производные метанола и этанола, которые не координируют аппаратуру, безвредны, хорошо смешиваются и имеют высокие антидетонационные свойства [4-16]:

В настоящее время в качестве добавки для повышения октанового числа используют метилтрет-бутиловый эфир.

Разработан новый процесс синтеза нормальных парафинов и изопарафинов, а также олефинов из нового типа исходного сырья – растительной биомассы. Биомасса превращается газификацией воздухом в генераторный газ, содержащий оксид углерода и водород. В газе содержится около 50 % азота, поэтому синтез из такого газа компонентов моторных топлив состава С₅ – С₂₂ является принципиально новым. Ранее во всех технологических процессах (Фишера – Тропша, Сасол, Мобил) применяли концентрированный газ, состоящий только из СО и Н₂.

Парафиновые углеводороды неразветвленного строения являются хорошими компонентами дизельных топлив. Для производства высокоцетановых моторных топлив [4-16] желательно смешение фракций синтетических парафинов с цетановым числом 77–90, полученных по методу Фишера – Тропша с дизельными фракциями нефти или продуктов гидрогенизации угля, которые имеют цетановое число 40–50.

Продукты синтеза, полученные посредством газификации биомассы, могут заменить нефтехимическое сырье.

Жидкие олефиновые углеводороды, которые получаются при синтезе, могут найти применение, помимо топливного назначения, для производства синтетических моющих средств. Из фракции углеводородов С₂-С₂₂, полученной биомассы, в процессе пиролиза на ванадиевом катализаторе могут быть получены этилен, пропилен и бутилены [4-16]. При каталитическом пиролизе образует до 40–50 % этилена и 6065 % суммы газообразных олефинов на исходное сырье. Проверка этого процесса в опытно-промышленных условиях [4-16] показала что в зависимости от применяемого сырья этилен образуется с выходом от до 40 % и олефины 60–65 %. При термическом пиролизе выход этилена обычно не превышает 25–26 %.

Таким образом, в результате переработки растительного сырья могут бы получены жидкие углеводороды – компоненты моторных топлив и олефины, частности этилен для процессов нефтехимического синтеза.

Цель настоящего исследования – разработка процесса получения компонентов жидких топлив (бензина, дизельного топлива) из продуктов газификации растительной биомассы С_хН_уО_г при 900-1500 °C. При этом образуется газ, содержащий оксид углерода, водород, диоксид углерода и азот:

C_xH_yO_z + O₂ + N₂ = CO, H₂, CO₂, H₂O, N₂

Состав продуктов газификации зависит от исходного сырья (древесная щеп солома, отходы технических культур и др.). Обычно состав газа находится пределах, %: СО 15–25, Н₂ 12–15, СО₂ 7-12, N₂-50. Может присутствовать небольшое количество других примесей, например СН₄.

Характерной особенностью газов газификации биомассы воздухом является большое содержание азота – 45–55 %. Ранее полагали, что азот будет препятствовать синтезу жидких углеводородов из СО и Н₂.

Каталитическую газификацию биомассы древесной пульпы проводят с помощью водяного пара с подводом тепла извне в трубчатых печах на никелевых катализаторах. В этом случае из 1 т биомассы получается 150–160 кг водород диоксид углерода отделяется. В процессе пиролиза расходуется 103,0 кД тепла на 1 молекулу водорода, а при сжигании 1 молекулы выделяете 285 кДж.

В промышленности для процесса Фишера – Тропша синтез-газ получают каталитической конверсией метана с водяным паром при высоких температурах.

Газификация биомассы с водяным паром несколько сложней, чем газификация с применением воздуха, так как газогенераторы такого типа не разработаны.

Рассмотрим синтез углеводородов из генераторных газов газификации воздухе растительного сырья. Газификация воздухом (при неполном сгорании) – известный технологический процесс переработки твердого органического сырья – биомассы, торфа, бурого угля.

Газы газификации воздухом в зависимости от исходного сырья [4-16] имеют следующий состав, об.%:

Газогенераторные установки, где в качестве топлива применяли биомассу – древесину, отходы хлопка, кукурузы и др., а также уголь, ранее широко использовались. В 40-х и 50-х годах имелось более 200 тыс. различных стационарных и передвижных машин [4-16] и были сэкономлены миллионы тонн нефти. В 1980–1990 гг. газогенераторную технику использовали только в Канаде и США на лесозаготовках.

В Западной Европе в 1980–1990 гг. при уничтожении городского мусора применяли процессы газификации, получая генераторный газ, содержащий СО – 22, Н₂ 12–15, N₂ 45–50. Установки такого типа фирмы “Фест-Альпине” (Австрия) экологически чистые, а газ может применяться для получения жидкого топлива.

4.5. Газификации растительной биомассы в России[16]

В России разработан новый метод получения экологически чистых жидких моторных топлив из растительной биомассы. Топлива не содержат серу, а выделяющийся при их горении диоксид углерода вновь участвует в образовании растений. Топлива получаются из газов газификации биомассы воздухом при невысоком давлении и температуре.

В качестве аналогов газа газификации в настоящей работе использовали смесь газов следующих составов (об.%): СО – 30, Н₂ – 15, CO₂ – 5, N₂ – 50; СО – 15, Н₂ – 20, CO₂ – 15, N₂ – 50; СО – 28, Н₂ – 15, СО₂ -7, N₂ – 45.

Опыты проводили при давлениях 0,1 и 1 МПа и температурах от 180 до 230 °C. Применяли промышленный Co-содержащий катализатор и катализатор, который готовили смешением основного карбоната кобальта с носителем. Все катализаторы восстанавливали в потоке водорода при 450 °C. Опыты проводили при объемной скорости (о. с.) от 50 до 200 ч^-1.

Для проведения большей части опытов был выбран Co-катализатор, активный в процессе синтеза углеводородов из водяного газа (СО-Н₂) по Фишеру – Тропшу.

При увеличении давления с 0,1 до 1,0 МПа в присутствии Со – содержащего катализатора выход жидких углеводородов (>С5) в отдельных опытах достигал 52 г/м³ (без избыточного давления не превышал 31 г/м³). Если отнести этот выход к 1 кг использованных для газификации отходов древесины, то при 20 %-ной влажности выход газа составляет 2,6–3 м³/кг. Если принять выход 2,6 м³/кг, то из 1 т отходов можно получить от 80 до 135 кг жидкого топлив. С учетом возможных потерь можно принять, что 1 г жидкого топлива будет получаться из 8—10 т сырья. На этих примерах показано, что из газов газификации растительного сырья воздухом можно получить компоненты жидкого топлива, бензиновые и дизельные фракции, хотя в газах синтеза содержится до 50 % азота.

Выход жидких углеводородов из 1 м³ газа (состав, об.%: СО 33, CO₂ 33, Н₂ 33) достигает 114–117 г/м³, общий – 160 г/м³. Общий выход (с учетом газообразных продуктов) достигает 170–190 г/м³, аналогично процессу Фишера – Тропша из СО-Н₂. Однако газ каталитической газификации биомассы с водяным паром содержит до 20–30 % CO₂, который, вероятно, также частично входит в реакцию.

Была рассмотрена возможность создания передвижных опытных установок по переработке растительной биомассы в компоненты моторного топлива. Они включают газификацию биомассы воздухом при 900-1500 °C, очистку газа и синтез жидких углеводородов.

Для синтеза можно использовать также газ, полученный газификацией растительной биомассы паром.

Таким образом, представлен процесс получения жидких моторных топлив из растительного сырья – отходов сельского хозяйства, лесодобычи и лесопереработки, который можно осуществить на передвижных или стационарных установках.

Процесс состоит из газификации органического сырья (неполного сгорания) воздухом при 900-1500 °C, в результате чего образуется газ, содержащий СО, Н₂, СО₂, Н₂О, N₂. В результате каталитической конверсии газа при 200–250 °C и 1,0 МПа получается смесь жидких углеводородов. Азот воздуха в реакцию не вступает. При этих процессах 1 т компонентов моторного топлива получается из 8 т исходного сырья. Общий КПД синтез жидкого топлива из исходного сырья (биомассы) составляет около 40 %. Из лесосечных или сельскохозяйственных отходов с 1 кв. км на передвижных установках можно получить от 100 до 200 т жидкого топлива [4-16].

Моторные топлива [4-16], полученные из растительной биомассы, экологически чистые, так как не содержат серу, а образующийся при их сгорании диоксид углерода вновь вовлекается в образование растений и не накапливается в атмосфере. Утилизация растительных отходов и отходов пластмасс оздоровляет экологическую обстановку [4-16]. Это делает возможным получить дополнительное количество моторного топлива из отходов растительного и вторичного сырья, пластмасс.

4.6. Новые научные разработки за рубежом – НИОКР [4-17]

Новое открытие позволит ученым делать топливо из CO₂ в атмосфере.

Исследователи из США нашли способ преобразования углекислого газа атмосферы в полезные промышленные продукты, например, в биологическое топливо.[4-17].

Был разработан метод получения сахара непосредственно из углекислого газа, минуя процессы выращивания растений и извлечения сахара из биомассы. Для этого использовали уникальный микроорганизм Pyrococcus furiosus, или «огненный шарик», который питается углекислым газом и живет вблизи геотермальных источников. Ученые подвергли его генной модификации и вывели штамм P. furiosus, который может поглощать и перерабатывать углекислый газ в сахар при более низких температурах. При добавлении водородного газа в микроорганизме происходит химическая реакция, в которой углекислый газ превращается в 3-гидроксипропионовую кислоту, являющуюся распространенным промышленным химикатом для изготовления пластмассы и многих других продуктов.

Используя другие генетические манипуляции P. furiosus, исследователи планируют создать еще один штамм, который будет генерировать множество других полезных промышленных продуктов, в том числе топливо, из углекислого газа.

Британские ученые планируют начать переработку выбросов от электростанций в топливо [4-17].

Ученые из университета Хериот-Уатта, Эдинбург, в настоящее время работают над фотокаталитической технологией восстановления, в которой выбросы углекислого газа от электростанций будут перерабатываться в жидкое и газообразное топливо для использования в коммунально-бытовом секторе и на транспорте. Дополнительным преимуществом этого процесса преобразования является возможность использования солнечного излучения.

Новый фотокаталитический процесс позволит получать значительно больше этанола, метанола и метана, чем это возможно с существующими сегодня аналогичными технологиями. Полученное топливо может быть направлено для централизованного теплоснабжения в многоквартирных домах, а также для использования в самолетах.

В 2009 году компания Arizona Public Service получила средства в размере 70,5 млн. долларов США для финансирования проекта преобразования выбросов углекислого газа от угольной электростанции в биотопливо с использованием водорослей.

Другой компанией, специализирующейся на создании авиационного биологического топлива, является LanzaTech. Компания использует биологические процессы для извлечения дымовых газов от металлургических, нефтеперерабатывающих заводов и предприятий других отраслей химической промышленности, и последующего преобразования их в биотопливо, пригодное для использования в авиалайнерах.

Кстати, технологии утилизации парниковых газов от энергоемких отраслей могут оказаться полезными не только для авиакомпаний, но и для развивающихся стран, которые стремятся обуздать продолжающийся рост выбросов.

Ученые MIT модифицировали клетки дрожжей для получения более эффективного биотоплива [4-17].

Массачусетский технологический институт объявил о результатах работ по генной модификации обычных дрожжей для изготовления тяжелого алкоголя – изобутанола.

Дрожжи обычно создают изобутанол в небольших количествах в клетки – в митохондрии и цитоплазме. Изменив дрожжевые микроорганизмы на клеточном уровне так, чтобы производство алкоголя происходило исключительно в митохондриях, ученые смогли увеличить количество выхода этого химического вещества аж на 260 процентов. Кроме того, они смогли добиться увеличения содержания изопентанола на 370 процентов и двуметил-бутанола на 500 процентов.

Ученые разрабатывают новый метод преобразования метана в жидкое дизельное топливо [4-17]..

Национальная лаборатория по возобновляемой энергетике (NREL) Департамента энергетики США будет способствовать разработке микробов, которые преобразуют метан, содержащийся в природном газе, в жидкое дизельное топливо. Количество природного газа, выпускаемого нефтяными скважинами во всем мире, огромно, и составляет примерно одну треть от ежегодного объема нефти, которая используется на предприятиях Соединенных Штатов. При этом каждая молекула метана, выбрасываемого в атмосферу, по причиняемому вреду окружающей среде эквивалентна 12-ти молекулам диоксида углерода.

Рис. 4–4. Клетки бактерий, перерабатывающие метан в дизельное топливо.

По мнению ученых из консорциума, образованного университетом Вашингтона, NREL и компаний Johnson Matthey и Lanza Tech, если сбрасываемый в атмосферу газ превратить в жидкость, то его можно будет транспортировать вместе с нефтью на НПЗ, где его можно будет конвертировать в дизельное топливо для грузовых и легковых автомобилей или даже топливо для реактивных двигателей. Для этого они предложили разработать микроб, который будет поглощать метан из газа. Это предложение поддержало Агентство перспективных исследований в энергетике (ARPA-E), выделив грант в размере 4,8 миллиона долларов США на проведение необходимых работ.

Как сообщается, работа ученых из университета Вашингтона сосредоточена на генетической модификации микробов. Лаборатория NREL будет отвечать за разработку более эффективных процессов брожения и извлечения липидов из микроорганизмов, а также проводить анализ экономического потенциала новой технологии. Третий партнер, компания Johnson Matthey из Великобритании, будет производить катализаторы, которые превращают липиды в метановое топливо. И, наконец, компания Lanza Tech из Иллинойса, пионер в области технологий преобразования отходов в топливо, подписала контракт на проведение лабораторного тестирования технологии и в случае его успеха на коммерциализацию и запуск в промышленное производство.

Ученые будут использовать свой опыт в области производства биотоплива и липидов из морских водорослей для разработки технологии, основанной на новом сырье – природном газе. Они начнут с микроорганизмов, которые для своего естественного роста используют метан, и которые имеют природную способность выделять из него липиды. Однако, для того, чтобы микроорганизмы смогли производить достаточно липидов, их нужно модифицировать с помощью генной инженерии. Конечный продукт деятельности микроорганизмов представляет собой промежуточное топливо, которое подлежит переработке в дизельное или реактивное топливо, или же может быть использовано в качестве источника питания для оборудования или источника тепла для обогрева зданий.

Прорыв в производстве биотоплива: выявлены ферменты для повышения сахара галактана[4-17]..

Исследователи от Министерства энергетики (DOE) недавно идентифицировали ферменты, способные существенно повысить количество сахара галактана, который присутствует в клеточных стенках растений. Галактан представляет собой один из видов галактозы, 6-углеродную сахарозу, которая легко ферментируется в этанол с использованием дрожжей. Это давно известное в научном мире вещество представляет особый интерес для исследователей, которые разрабатывают технологии производства биотоплива из «целлюлозной биомассы».

Новая городская система генерирует энергию, очищая сточные воды Парижа[4-17].

На днях парижская компания Ennesys, производитель энергетический систем, и американская компания по уборке водорослей OriginOil представили новый городской демонстрационный проект для городка Ла Дефане, что недалеко от Парижа. В этой инновационной системе используются морские водоросли, которые будут не только вырабатывать электричество, но и фильтровать сточные воды для смыва в унитазах здания или полива растений.

Растительно-микробные топливные элементы генерирует электроэнергию из живых растений [4-17].

Согласно оценкам, водно-болотные угодья составляют около шести процентов поверхности Земли, и новая технология создания растительно-микробных топливных элементов, разработанная в нидерландском НИИ Вагенингена, смогла бы превратить эти районы в жизнеспособные источники возобновляемой энергии. Разработчики считают, что их технология может быть использована не только для обеспечения электроэнергией отдаленных районов, но и для генерации электричества на зеленых крышах домов.

В отличие от обычных микробных элементов, которые вырабатывают биогаз путем анаэробного сбраживания или ферментации “мертвой” биомассы, растительно-микробные топливные элементы генерируют электричество, но при этом растения остаются живыми и продолжают расти. Важно отметить, что система не влияет на рост растений и не приносит вреда окружающей среде.

Система работает за счет использования органического материала, который образуется в результате фотосинтеза, но который не может быть использован растением и выводится через корни. Естественные бактерии вокруг корней расщепляют эти органические остатки, высвобождая электроны. Разместив электроды непосредственно около бактерий, исследователи из университета Вагенингена получили топливно-микробный элемент, который генерирует энергию.

В настоящее время созданный ими опытный образец растительно-микробного топливного элемента может генерировать только 0,4 Ватта электричества на квадратный метр выращиваемых растений. Однако, исследователи утверждают, что он гораздо эффективнее, чем топливные элементы на основе брожения биомассы. В будущем система сможет генерировать до 3,2 Ватта на квадратный метр – это значит, что зеленая крыша площадью 100 квадратных метров полностью обеспечит дом электроэнергией при среднем потреблении 2800 кВт*ч в год.

Технология еще нуждается в совершенствовании, но несмотря на это, растительно-микробные топливные элементы уже могут конкурировать по рентабельности и экономичности с солнечными батареями в отдаленных районах. Ученые провели первые испытания системы и открыли компанию под названием Plante, в рамках деятельности которой они планируют довести технологию до коммерциализации и выпустить первые готовые продукты уже в следующем году.

Новый процесс позволяет получить дизельное топливо напрямую из сахара[4-17].

Исследователи из института энергетических биологических наук (EBI) разработали процесс производства биотоплива из возобновляемых источников, таких как сахар и крахмал, который может быть коммерциализован всего через пять – десять лет. Несмотря на то, что получаемое топливо дороже, чем нефть, оно выделяет больше энергии на галлон, чем этанол. Более того, по словам ученых, производство биотоплива по новой технологии будет способствовать сокращению выбросов парниковых газов от транспорта.

В Канаде совершил первый полет реактивный авиалайнер на чистом биотопливе[4-17].

Сегодня все большее количество компаний-авиаперевозчиков вводят маршруты для гражданских самолетов, летающих на биотопливе. Теперь в их списке числится и канадская компания Air Kanada. Однако, в отличие от других компаний, которые используют для своих самолетов смесь из обычного и биологического топлива, AirKanada планирует запустить рейсы авиалайнеров на чистом биотопливе, изготовленном исключительно из органического сырья – семян масличных культур.

Биотопливо из водорослей: всего за одну минуту? [4-17]..

Исследователи из Мичиганского университета экспериментировали с приготовлением зеленых морских микроводорослей и обнаружили, что одна минута – это все, что потребовалось, чтобы преобразовать 65 процентов исходного материала в сырье для производства биологического топлива.

Биотопливо, электроника и продукты для здоровья – из диатомовых водорослей[4-17].

Диатомовые водоросли представляют собой крошечные морские формы жизни, которые существуют на Земле еще со времен динозавров и которые формируют основу для большей части морской пищевой цепи, однако, до настоящего времени на них никто не обращал внимания. А вот команда ученых из Университета штата Орегон считает, что они могут быть использованы для экономически рентабельного производства биологического топлива, а также для изготовления других ценных продуктов, таких как полупроводники, биомедицинская продукция и даже продукты для здорового питания.

Отходы от ликеро-водочного завода будут преобразованы в биотопливо.

Недавно ликеро-водочный завод подписал соглашение с шотландской компанией по возобновляемым источникам, которое подразумевает разработку технологии включения побочных продуктов от производства виски в топливо. Компании будут использовать два побочных продукта производства виски для выработки бутанола нового поколения, или биобутанола.

Мобильный агрегат может производить биотопливо для военных и гуманитарных операций[4-17].

Исследователи из Аргоннской национальной лаборатории (ANL) Департамента энергетики США недавно создали устройство, которое они назвали Долговечный Биоэнергетический Реактор (Endurance Bioenergy Reactor, EBR). Этот агрегат может производить биотопливо прямо на месте, используя в качестве сырья отходы от кухонь и туалетов.

Свежий взгляд на производство биотоплива: из навоза[4-17].

В своем стремлении разработать технологию по выработке менее дорогого и более эффективного биотоплива, ученые всего мира исследуют самые различные потенциальные источники, начиная от растений, таких как кукурузные стебли и просо, и заканчивая морскими водорослями. Но недавно исследователи из университета Висконсина-Мэдисона объявили, что они, возможно, нашли самый подходящий ингредиент для производства топливного этанола – коровий навоз с мясомолочных ферм.

В Бразилии строится завод по производству биотоплива из водорослей по австрийской технологии[4-17].

Рис. 4–5. Водоросли для производства биотоплива.

В штате Пернамбуку на северо-востоке Бразилии вскоре будет запущена первая в мире промышленная установка по производству биотоплива из водорослей. Этот проект стал результатом сотрудничества между компанией See Algae Technology (SAT), австрийским разработчиком оборудования для промышленного производства водорослей, и компанией JB, которая является одним из ведущих в Бразилии производителей этанола. Завод будет производить биомассу из природных и генетически модифицированных штаммов водорослей.

Новый завод по производству биодизеля построен на Кубе [4-17].

Рис. 4–6. Плоды кустарника семейства «Ятрофа».

Как объявили на днях СМИ, на Кубе запущен новый завод по производству биодизельного топлива – первый в своем роде, который превращает семена кустарника из семейства ятрофа в экологически чистый источник энергии, он был объявлен в понедельник.

НАСА предлагает новый способ производства биотоплива: пресноводные водоросли в морской воде [4-17].

Новая концепция производства биологического топлива, которая представляет собой посадку в океане пресноводных водорослей, заключенных в больших гибких пластиковых трубах, на первый взгляд может показаться немного бредовой идеей. Однако, в действительности проект OMEGA, предложенный НАСА, более чем жизнеспособный и устойчивый.

Рис. 4–7 Система «Омега» для производства жидкого топлива.

Исследователи создали жидкое топливо, используя солнечную энергию[4-17].

Несмотря на все возрастающую популярность электрических транспортных средств, они все еще имеют много недостатков. И один из них – это длительное время зарядки литиево-ионных аккумуляторов, которыми оснащается большинство электромобилей, по сравнению со временем заправки жидким топливом бензобаков обычных машин, работающих на ДВС. Но недавно исследователи из Школы инженерных и прикладных наук Герни Самуэли от Калифорнийского университета разработали процесс, в котором жидкое топливо производится с использованием солнечной энергии.

В Норвегии будут получать топливо для автобусов и биоудобрение из пищевых отходов [4-17].

Начиная со следующего года, в Осло, столице Норвегии, начнет работу завод по переработке банановой кожуры, кофейной гущи и других пищевых отходов в «зеленое» топливо для городских автобусов. Кроме того, новая биогазовая установка будет поставлять фермерским хозяйствам биоудобрения, богатые питательными веществами.

Согласно сообщениям, завод сможет перерабатывать 50 000 тонн пищевых отходов в год, преобразовывая его в экологически чистое топливо для 135 муниципальных автобусов, а также в биоудобрение в объеме, достаточном для примерно 100 средних фермерских хозяйств. Процессы производства биогаза были разработаны в рамках долгосрочного исследовательского проекта при финансовой поддержке Исследовательского совета Норвегии.

Станут ли водоросли биотопливом будущего? [4-17].

Рис. 4–8 Плантации водорослей в кюветах.

Одним из направлений поиска более экологически чистых и безопасных альтернатив ископаемому топливу является разработка технологий производства биоэтанола. Этот продукт получается в основном из растительного сырья путем переработки сельскохозяйственных культур, под которые в последние годы отводится все больше ценных сельхозугодий. Экономисты и экологи утверждают, что если такая тенденция сохранится и дальше, то мир может столкнуться с нехваткой продуктов питания.

Marine Biology Field Station: самодостаточная электростанция, работающая на морских водорослях [4-17].

Дизайнер Bukowska Arkitekter из Стокгольма, Швеция, недавно предложила новый проект строительства оффшорной электростанции, выращивающей морские водоросли и вырабатывающей из них биотопливо для собственных нужд (Marine Biology Field Station). Впрочем, разработчик планирует использовать электростанцию не только в качестве объекта, производящего электроэнергию, но и в качестве демонстрационной площадки и учебного центра по возможностям применения альтернативной энергетики.

Микробы, обитающие в желудке человека, производят биотопливо из морских водорослей[4-17].

Рис. 4–9. Морские водоросли – сырье для производства биотоплива

Исследователи из Лаборатории биоархитектуры и университета Вашингтона в Сиэтле разработали новый технологический процесс, в котором генетически модифицированные микробы, обычно встречающиеся в желудке человека, расщепляют экзотические сахара в морских водорослях. Развитие этой технологии может означать революцию в производстве биотоплива, поскольку морские водоросли не нуждаются в удобрениях и особых условиях для своего роста, а также не содержат вещество лигнин, которое сегодня используется для выработки биомассы, но которое очень трудно расщепляется на простые химические вещества. Кроме того, недавно разработанный процесс превращения водорослей в биомассу происходит при относительно невысоких температурах, поэтому его с полным правом назвать энергоэффективным.

Ген, контролирующий цветение сорго, увеличивает производство биомассы из этого растения [4-17].

По данным исследования, недавно опубликованного в журнале Протоколы Национальной академии наук, гибрид сорго, который не цветет и наращивает в три раза большую массу стеблей и листьев, которые служат в качестве биомассы, будет способствовать дальнейшему развитию биоэнергетической промышленности. Группа ученых из техасского НИИ AgriLife Research обнаружила ген, который регулирует цветение сорго в соответствии с нуждами производства.

Рис. 4-10. Внешний вид гибрида Сорго, дающий втрое больше биомассы.

Thomson Airways планирует полет самолета на растительном масле[4-17].

Рис. 4-11. Самолет компании Thomson Airways, использующий биотопливо

Как утверждают ученые, очень скоро авиационная промышленность станет абсолютно безвредной для окружающей среды. Недалек день, когда вы будете лететь на самолете, который в качестве топлива использует растительное масло, и британский авиаперевозчик Thomson Airways может стать одним из первых в этой области. Компания планирует совершить первый полет своего авиалайнера, работающего на растительном масле, в Испанию.

Австралийский угольный завод сокращает выбросы углекислого газа[4-17].

Компания MBD Energy, являющаяся мировым лидером в области развития промышленного производства водорослей, заключила с компанией OriginOil договор о сотрудничестве в разработке и поставке уникальной системы по выращиванию водорослей для улавливания углекислого газа в атмосфере и последующему производству биотоплива. Выбрав направлением своей деятельности биологические способы борьбы со все возрастающим загрязнением воздуха, компании 24 мая этого года запустили пилотный проект новой системы на угольной электростанции в Таронге, Австралия.

Поиск испанскими учеными топлива будущего [4-17].

Почти 400 труб зеленого цвета высотой в восемь метров, заполненных миллионами микроскопических морских водорослей, расположены на равнине поблизости города Аликанте, Испания. Рядом работает цементный завод, выбросы углекислого газа которого улавливаются и транспортируются в трубопроводе в «зеленую нефтяную» фабрику. Именно так испанские ученые представляют себе получение топлива будущего: био-нефть, произведенная морскими водорослями, поглощающими углекислый газ от заводов.

Синтез изобутанола из целлюлозы растений[4-17].

Последствия энергетического кризиса все еще дают о себе знать, поэтому сегодня так важно дальнейшее развитие и реализация технологических инноваций в области альтернативных источников энергии, в частности в области производства биологического топлива. Исследователи из Научно-исследовательского центра биоэнергетики (BESC) от Минэнерго США, похоже, могут нам предоставить эффективное решение. Ученые разработали технологию получения изобутанола из целлюлозы растительного происхождения с помощью бактерий. Являясь спиртом более высокого качества, изобутанол имеет почти такую же теплоту сгорания, что и бензин, следовательно, он может рассматриваться как экологически чистая альтернатива бензину в двигателях внутреннего сгорания автомобилей.

Новый способ использования микробов для производства биотоплива[4-17].

Это почти революционный прорыв – группа американских исследователей из Университета Калифорнии в Лос-Анджелесе, успешно апробировала способ использования микробов для производства биотоплива, который в готовом виде будет стоить гораздо дешевле существующих аналогов. Это стало достижимо благодаря «обману» некоторых разновидностей микробов, которых ученые «заставили» потреблять белок для биологического преобразования этого белка в жир и другие вещества, которые затем могут быть очищены для производства биологического топлива.

«Скороварка» для производства биотоплива из водорослей[4-17].

Исследователи Мичиганского университета решили попробовать использоваться высокие температуры для улучшения производительности выработки биологического топлива на основе морских водорослей. Они недавно обнаружили, что такой процесс, как нагревание микроводорослей в анклаве, уменьшает длительность по времени, а также средства, необходимые для превращения слизистой субстанции в биотопливо. После соответствующего усовершенствования этот процесс, по мнению ученых, может привести, наконец, к появлению на рынке топлива на основе водорослей с низкой себестоимостью и низким уровнем выбросов – отличной альтернативы ископаемым видам топлива.

Sundrop Fuels использует интенсивное солнечное тепло для производства биотоплива[4-17].

Технология кажется ультра-фантастической: интенсивное солнечное тепло, которое может выпарить биомассу (дрова, отходы земледелия и т. д.) в синтетическое топливо. Однако процесс, разработанный компанией Sundrop Fuels, представляется вполне реальным, кроме того, эта технология поможет производить вдвое больше бензина или дизельного топлива по сравнению с обычными системами газификации биомассы.

Топливо из правительственной макулатуры [4-17].

Впервые в истории США на улицах Вашингтона можно увидеть автомобили, которые расходуют топливо, сделанное из использованных правительственных бумаг. Именно, компания Novozymes в партнерстве с компанией Fiberight разработала уникальную технологию производства биологического топлива из макулатуры, которая тонами выбрасывается после использования в начальственных кабинетах Белого дома и других правительственных учреждений.

Исследователи сконструировали табачные листья, которые смогут увеличить производство биотоплива[4-17].

Исследователи из лаборатории фундаментальной биотехнологии Университета Томаса Джефферсона обнаружили способ увеличить производство биотоплива, используя для этого сконструированные с помощью генной инженерии табачные листья, в которых увеличена доля масел. Их работа была опубликована в онлайновом журнале Plant Biotechnology Journal.

Глицерин: от мыла до главной составляющей в производстве биотоплива[4-17].

Как известно, топливоперерабатывающие предприятия производят огромное количество сырого глицерина в качестве побочного продукта. И хотя в настоящее время глицерин высшего сорта широко используется в косметической, пищевой и медицинской промышленности для производства товаров народного потребления, все же большие объемы сырого глицерина просто ликвидируются в виде отходов, а иногда даже нелегально.

Nanofarming-процесс предлагает более щадящий способ получения биотоплива из водорослей[4-17].

Последняя преграда к экономической конкурентоспособности биотоплива, похоже, вскоре падёт, благодаря новой разработке в области его выработки на основе нанотехнологий. Новая технология использует крошечные наночастицы, которые способны поглощать свободные жирные кислоты из живых микроводорослей. В настоящее время эта технология разрабатывается Национальной лабораторией Эймса Департамента энергетики США и Государственным университетом Айовы, в тесном сотрудничестве со специалистом в области производства биотоплива компанией Catilin, Inc.

Авиакомпания KLM Royal Dutch Airlines провела первый в Европе пассажирский рейс на смеси из реактивного и биологического топлива[4-17].

Промышленная авиация вносит значительный вклад в загрязнение окружающей среды посредством выбросов парниковых газов, но производители и управление по авиации принимают меры по решению этой проблемы. И вот недавно, для того, чтобы доказать ценность биотоплива в авиации, голландская авиакомпания KLM Royal Dutch Airlines завершила рейс Boeing 747 с 40 пассажирами на борту на топливе, которое производится из непищевых культур. Для одного из его четырех двигателей использовалась смесь из 50 процентов биокеросина и 50 процентов реактивного топлива. Самолет провел в воздухе над Нидерландами один час.

Бактерии превращают парниковые газы в топливо [4-17].

Команда исследователей из США недавно объявила о создании ими генетически модифицированных бактерий, которые, поглощая углекислый газ, вырабатывают изобультиральдегид. Его впоследствии можно использовать для производства изобутана.

Прорыв в производстве биотоплива: микробы вырабатывают топливо из воздуха[4-17].

Компания Joule Biotechnologies объявила о создании производства топлива непосредственно из богатого углекислым газом воздуха, используя сконструированные с помощью генной инженерии фотосинтетические микробы. Само преобразование углекислоты в топливо было названо компанией Helioculture-процессом.

Ученые из Гарварда создали батареи на основе почвенных бактерий[4-17].

Группа Бостонского колледжа создала аккумуляторы из микробных топливных элементов (microbial fuel cell, MFC), которые получают энергию из природных бактерий, содержащихся в почве. Если это изделие получит дальнейшее развитие, то можно надеяться, что 500 миллионов людей в странах Южной Африки, где нет доступа к электричеству, будут обеспечены энергией от экологически чистых батарей.

Camelina (рыжик) выбрано в качестве биотоплива для испытаний авиацией ВМС США[4-17].

Не так давно ВМС США объявили о планах протестировать несколько видов авиационного биотоплива в истребителе F/A-18. В то время они еще не решили, ни кто будет поставлять топливо, ни что будет использоваться в качестве исходного сырья – только то, что оно должно быть из непродовольственных культур. Теперь стало известно, что в качестве биотоплива для программы испытаний ВМС США выбрано топливо на основе Camelina* компании-производителя Sustainable Oils, Монтана.

Первый в мире автомобиль на энергии водорослей попытается пересечь США, используя 25 галлонов топлива[4-17].

В Сан-Франциско состоялось открытие первого в мире транспортного средства на топливе из водорослей, которое окрестили Algaeus. Гибридный автомобиль с модулем plugin, совмещающий в себе, подобно Prius, никель-металл-гидридные батареи и вилку для подзарядки от электрической сети, работает на зеленой нефти от компании Sapphire Energy, при этом никаких изменений в бензиновом двигателе не нужно. Проект оказался настолько эффективным, что Algaeus может проехать на 25 галлонах топлива от побережья до побережья!

Водоросли – биотопливо будущего [4-17].

Поиски экологических альтернатив ископаемым видам энергии прямой дорогой ведут к исследованию Мирового океана, поскольку именно он является громадным механизмом воспроизведения биологических ресурсов. Наибольшим потенциалом, в вопросе получения биологического топлива обладают морские водоросли, растущие повсеместно, выносящие любые экстремальные температуры и обладающие способностью быстрого размножения.

Российские ученые выращивают микроводоросли для производства биотоплива [4-17].

Новосибирские исследователи уверены, что на сегодняшний день микроводоросли являются самым перспективным сырьем для биотоплива.[4-19].

По мнению новосибирских биологов и химиков, микроводоросли – это самое перспективное на сегодняшний день сырье, которое наряду с растительными маслами, отходами переработки злаковых, тростником, опилками и многим другим составляют основу для производства альтернативного топлива.

Института катализа СО РАН применил технологии каталитических процессов, что позволяет получать биотопливо с более высокими характеристиками, которые могут использоваться в качестве добавок к традиционным моторным топливам. По своим характеристикам выращенные в Новосибирске микроводросли превосходят наземные растения. Они содержат до 80 % жиров от сухого веса.

НАСА помещает водоросли в пакеты со сточными водами в попытке получить авиатопливо. [4-17].

Космическое агентство выращивает водоросли для биотоплива в пластиковых пакетах, наполненных сточными водами, которые плавают в океане.

Процесс невероятно прост. Начинается всё с помещения водорослей в пластиковые пакеты, наполненные сточными водами; эти пакеты в истинно НАСАвском стиле имеют искусный акроним, ОМЕГА (или ОМЕВВ), что в переводе с английского означает «офшорные (морские) мембранные емкости для выращивания водорослей»

Пакеты ОМЕГА – это полупроводящие мембраны, которые НАСА разработало для вторичного использования сточных вод астронавтов в длительных космических миссиях. В этом случае мембраны позволяют выход пресной воды, но предотвращают просачивание соленой (морской) воды.

Затем водоросли в пакетах начинают поглощать питательные вещества сточных вод. Растения очищают воду и выделяют липиды – жирорастворимые молекулы, – которые будут после использованы в качестве топлива.

Система беспроигрышна, сообщил он. Даже в случае, если ОМЕГА-пакет протечет, соленая морская вода уничтожит водоросль, предотвратив распространение экспансионистских видов.

Пластиковые пакеты от НАСА предназначены существовать вплоть до 3-х лет… После этого они могут стать вторичным сырьем, как пластмассовая мульча, или могут быть раздроблены, и использоваться для улучшения качества почвы и сохранения влаги.

Продукции, получаемой из ОМЕГА, хватит, чтобы снабдить топливом авиационные нужды США – 21 биллион галлонов (68 млн. т углеводородов) в год. Чтобы сделать это, потребуется 10 миллионов акр (4.05 млн. га) площади океана.

Сложности.

Конечно, любая технология сталкивается с проблемами.

Специалистам НАСА необходимо найти пластмассу, способную выдержать дробящие волны и холодную температуру, не становясь слишком хрупкой для осмоса.

Qantas испытает биотопливо из морских водорослей[4-18].

Авиакомпания Qantas (Австралия) подписала контракт с американской энергетической компанией Solazyme о совместной работе по внедрению технологии производства биологического топлива из морских водорослей в Австралии в течение ближайших 12 месяцев, сообщает Flightglobal.com. Подобное соглашение Qantas также подписала с компанией Solena (США), которая занимается производством биотоплива из бытовых отходов. Подписанные соглашения являются частью программы авиакомпании Qantas, направленной на оценку возможности использования альтернативных видов топлива, а также на поиск партнеров в этой области. "Затраты и экологические последствия, связанные с традиционными видами реактивного топлива, приводят к необходимости коммерциализации альтернативных источников топлива. Qantas будет оценивать возможность использования каждой технологии на основании коммерческих и устойчивых критериев", – отметил руководитель Qantas Алан Джойс.

Литература

4-1. Siemens – Биотопливо – www.science-award.siemens.ru.

4-2. Панцхава Е.С., Березин И.В., Техническая биоэнергетика, Биотехнология, 1986, № 3, с. 8–15.

4-3. O., Rosillo-Calle F., 10 Biomass (Other then Wood)// Survey of Energy Resources., 1998, 18^th Edition, p. 227–257.

4-4. Курс обучения DIERET – Энергия Биомассы – Ecomuseum.kz www.ecomuseum.kz.

4–5. Т.А. Железная, Г.Г. Гелетуха., Обзор современных технологий газификации биомассы. Технологии газификации биомассы, 2008, www.escoecosys.narod.ru.

4–6. Биотопливо – альтернативный вид топлива, culibin777.livejournal.com.

4-7.Е.С. Панцхава и др., Биогазовые технологии., М., 2008, 217 стр.

4-8. The Future of Ethanol: Cellulosic.,www.web.extension.illinois.edu.

4-9. Девис А., Шуберт Р., Альтернативные природные источники энергии в строительном проектировании// М., Стройиздат, 1983, 189 с.

4-10.Международная биоэнергетика, № 3 (20), 2011, стр. 32–33.

4-11. Lufthansa начала экспериментальные полеты на биотопли-Be.,www. media.lufthansa.com.

4-12. A-10 Thunderbolt II of US Air Force flies on biofuel., www.commodityonline.com.

4-13. Королевские ВВС Нидерландов продемонстрировали вертолет Apache на биотопливе., www.cheburek.net.

4-14. AVIATION IMAGES Photo Gallery by Rob Finlayson at pbase.com.,

www.pbase.com.

4-15. Creating Jet Fuel from Biomass Waste – OilPrice.com, Alternative Energy, www.oilprice.com.

4-16. Я. М. Паушкин, Г. С. Головин, А. Л. Лапидус, А. Ю. Крылова, Е. Г. Горлов, В. С. Ковач., Получение моторных топлив из газов газификации растительной, Институт горючих ископаемых.,

www.promeco.h1.ru.

4-17. Биологическое топливо – Cheburek.,net.,www.cheburek.net.

4-18. Qantas испытает биотопливо из морских водорослей., www.air-stream.net.

4-19. Российские ученые выращивают микроводоросли для…www.smartgrid.ru.

Глава 5. Сырье для биоэнергетики

Получение энергии из биомассы является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей во многих странах мира. Этому способствуют такие ее свойства, как большой энергетический потенциал и возобновляемость. А так-же тот фактор, что она может быть произведена и использована без значительных финансовых затрат, что немаловажно для малоразвитых стран.

5.1.Виды биомассы

Все источники биосырья для биоэнергетики можно разделить на три основные группы.

К первой относятся специально выращиваемые для энергетических целей наземные растения. Наибольшее значение имеют лесоводческие энергетические хозяйства для выращивания различных пород деревьев: эбеновое дерево, эвкалипт, пальма, гибридный тополь и др. Одними из перспективных энергетических культур являются сладкое сорго, земляная груша, сахарный тростник.

Рис. 5–1. Уборка урожая Энергетической вербы в Валынской области в Украине.

Рис. 5–2. Сахарный тростник (Saccharum officinarum) Египет

Рис. 5–3. Унаби, Китайский финик, Ююба китайская. Луксор.

Рис. 5–4. В Ровенской области (Украина) будут сажать энергетические ивы.

Рис. 5–5. Биотопливо из Ивы

Рис. 5–6. Paspalum dilatatum / Рис. 5–7. Генномодифицированная Panico brasiliano Энергетическая культура компании Ceres (США)

Рис. 5–8. Энергетическое сорго

Рис. 5–9. Тополь.(Парагвай и Уругвай)

Рис. 5-10.Chrysophyllus Bamboo

Рис. 5-11.Эбеновое дерево [5–2].

Рис. 5-12. Быстрорастущая пальма.[5–3]

Рис. 5-13. Гибридный тополь – тополь советский. [5–4]

Рис. 5-14. Гибридные пирамидальные тополя.[5–5]

Рис. 5-15. Betula maximowicziana (берёза Максимовича)[5–6]

Рис. 5-16. Кипарисовик Лавсона

Рис. 5-17. Хвойное дерево.

“Columnaris” 190–210 см [5–7]. Быстрорастущий сорт Туи [5–8].

Ко второй группе источников биомассы относятся различные органические остатки и отходы:

• биологические отходы животных (навоз, птичий помет и др.);

• остатки от сбора урожая сельскохозяйственных культур и побочные продукты их переработки: багасса (жом сахарного тростника), солома ржи и пшеницы, кукурузные кочерыжки, стебли хлопка, скорлупа земляного ореха, отходы картофеля, рисовые шелуха и солома и др.;

• отходы лесозаготовок, лесопиления и деревообработки: кора, опилки, древесные щепки, стружки;

• промышленные сточные воды (в частности, текстильных, молочных, а также других предприятий по переработке пищевых продуктов);

• городские отходы (твердые и сточные воды).

Третья группа – это водные растения – морские водоросли, гигантские ламинарии (бурые водоросли), водяной гиацинт. Наряду с океаном, который рассматривается как основной поставщик крупных морских бурых водорослей, водорослей, обитающих на дне водоема и плавающих в стоячей воде, анализируются возможности использования биомассы эстуарий, соленых и пресноводных болот.

Как возможные источники биомассы предлагаются также: гибридный сорго, микроводоросли, пресноводные макрофиты и макроводоросли, маниока (пищевое растение в тропиках).[5–9]

Рис. 5-18. Сорго сахарное [5-10].

Рис. 5-19. Суданковые гибриды Сорго Сабантуй [5-10].

Рис. 5-20. Гибрид Сорго Солярис[5-10].

Рис. 5-21. Маниока [5-11].

Рис. 5-22. Эйхорния – плавающее водное растение. [5-12].

Рис. 5-23. Красные водоросли (Lithothamnion) / Рис. 5-24. Морская водоросль – Ламинария [5-13]

Рис. 5-25. Бурые морские водоросли. Рис. 5-26. Биореакторы для [5-14] биотехнологического производства – биомассы микроводорослей Dunaliella [5-15].

Рис. 5-27. Микроводоросль хлорелла. [5-16].

5.2.Топливо из биомассы (сырье) [17]

5.2.1. Древесные отходы

Древесина добывается на постоянной основе: в лесах в процессе вырубки. По одной из приблизительных оценок прирост древесины в мире составляет 12,5x10⁹ м³/год с содержанием энергии 182 ЭДж 6.2 млрд. ту.т… Это соответствует 1,3 от общего потребления угля на планете. Среднегодовая добыча древесины в период 1985–1987 г.г. составила 2.7x10⁹ м³/год (эквивалент 40 ЭДж/год 1.36 млрд. Ту.т.). Таким образом, часть прироста может быть дополнительно использована в энергетических целях в процессе ухода за лесами и, возможно, даже увеличения при этом их производительности. топливо из биомассы (сырье) [5-17].

В развивающихся странах, широко использующих древесный уголь в качестве топлива, производство угля в печах на месте образования древесных лесных отходов может уменьшить расходы на транспортировку.

Механические рубительные машины для производства древесной щепы (30–40 мм) были созданы в Европе и Северной Америке в течение последних 15 лет. (Рис. 5-28) Использование порубочных остатков для отопления и/или производства электроэнергии представляет собой растущий бизнес во многих странах. Американские энергоснабжающие компании имеют более 9000 МВт мощностей, работающих с использованием биомассы (эквивалент 9 атомных блоков). В Австрии общая мощность домашних котлов и котлов централизованного теплоснабжения (ЦТ), сжигающих древесные отходы, кору и щепу, достигает 1250 МВт. Мощность большинства котлов ЦТ находится в диапазоне 1–2 МВт. Имеется несколько установок большей мощности (15 МВт) и большое количество малых когенерационных установок. топливо из биомассы. (сырье) [5-17].

Следующим источником древесных отходов является обработка деловой древесины. Сухие опилки и другие отходы, возникающие в процессе распиловки, представляют собой качественное топливо. По существующим оценкам, британская мебельная промышленность поставляет 35000 тонн таких отходов в год (третья часть от общего количества), обеспечивая 0,5 ПДж энергии для отопления и горячего водоснабжения, а также для получения пара. В Швеции, где биомасса уже сегодня обеспечивает около 15 % первичной энергии, отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности дают 200 ПДж в год, в основном в качестве топлива для ТЭЦ. топливо из биомассы (сырье) [5-17].

Рис. 5-28. Полигон древесных и опилок (Новгородская область. РФ).

Рис. 5-29. кусковые древесные отходы мягкие древесные отходы.[5-18]

Производство топливной щепы в лесу с помощью лесного комбайна с харвестерной головкой [5-19].

Рис. 5-30. Комбайн для рубки леса.

Последовательность технологических операций 1. Комбайн оборудован валочной головкой с ножницами, имеющими гидравлический привод. Головка смонтирована на стреле гидр манипулятора с вылетом до 9,5 м. Максимальный диаметр срезаемого дерева 25 см для мягколиственных пород (ель, сосна) и 20 см для твердолиственных пород (береза, дуб).

2. Комбайн в режиме харвестера работает только на трелевочных волоках, срезая деревья и направляя их к рубительной машине. Приемное устройство рубительной машины расположено в передней части комбайна. Подготовка трелевочного волока и выборочные рубки могут быть проведены за один проход или поэтапно (первый шаг: прореживание).

3. Древесная щепа подается по пневмопроводу в бункер объемом 20 м³ и доставляется к съемному контейнеру на погрузочный пункт.

4. Щепа легко перегружается из бункера в контейнер благодаря инновационной системе разгрузки. Система состоит из подъемного механизма в виде ножниц, который обеспечивает подъем бункера на высоту до 3,6 м. После подъема и поворота бункера к контейнеру, щепа разгружается скребковым транспортером. Гибкость этой системы обеспечивает загрузку щепы из бункера в любой вид транспорта.

5. В дополнение к этому, комбайн оборудован захватом, который может быть использован в обычном назначении: захват и подача к рубительной машине лесосечных отходов. Оценка технологического процесса по технике безопасности, эргономике и воздействию на окружающую среду. Оператор управляет комбайном из просторной, кондиционируемой кабины с эргономичным вращающимся креслом, с камерой заднего вида. С эргономической точки зрения, все это является значительным улучшением.

Рис. 5-31. Перегрузка щепы из бункера (1) в контйнер (2).

1

2

3

4

5

Рис. 5-32. Механизированная рубка лесной древесины: 1-захват ствола валочной головкой с ножницами; 2– очистка ствола; 3 – срез ствола; 4-укладка ствола на трейлер или в штабели -5

Рис. 5-33. Харвестеры[5-20].

Рис. 5-34.Харвестер Ponsse Ergoharvester [5-21].

Рис. 35 Форвардер Timberjack 1710D

Рис. 5-36. Харвестер [5-22].

Рис. 5-37. Валочная головка Харвестера.[5-23].

Рис. 5-38. Харвестер (слева) и форвардер (справа) Vimek.

Рис. 5-39. Харвестер Форвардер John Deere Timberjack [5-24].

Рис. 5-40. Форфардеры (транспортер)[5-25].

Рис. 5-41. John Deere Forwarder

Рис. 5-42. Форвардер [5-27]. 1010E.[5-26]

5.2.2. Отходы сельского хозяйства

Сельскохозяйственные отходы представляют собой огромный источник биомассы. Отходы растениеводства и животноводства обеспечивают значительное количество энергии, уступающее только древесине, которая является главным видом топлива из биомассы на Земле. Сельскохозяйственные отходы включают: отходы растительных культур, например, солому, некондиционную продукцию и излишки производства, а также отходы животноводства в виде навоза. В Индии в 1985 году в качестве топлива было использовано 110 млн тонн навоза и растительных остатков, что близко к объему использования древесины -133 млн тонн. В Китае количество сельскохозяйственных отходов в 2,2 раза превышает количество древесного топлива. топливо из биомассы (сырье) [5-17].

Каждый год в мире образуются миллионы тонн соломы. Более половины этого количества не используется. Во многих странах она сжигается на полях или запахивается в землю. В некоторых развитых странах экологическое законодательство запрещает сжигание соломы на полях. Это привлекло внимание к соломе как к потенциальному источнику энергии. топливо из биомассы (сырье) [5-17].

Энергетическое использование растительных остатков вызывает вопрос о том, какое количество может быть использовано без негативного воздействия на урожай. В соответствии с опытом развитых стран, около 35 % растительных остатков может быть удалено без воздействия на будущий урожай.

Промышленные отходы, содержащие биомассу, также могут быть использованы для производства энергии. Например, из отходов производства спирта можно получить горючий газ. Другие полезные виды отходов включают отходы пищевой и текстильной промышленности. топливо из биомассы.[5-17].

Рис. 5-43. Упакованные стебли.

Рис. 5-44. Пивная дробина. кукурузы.[5-28]

Рис. 5-45. Куринный помет.

БЫСТРОРАСТУЩИЕ РАСТЕНИЯ.

Биомасса может специально выращиваться на энергетических плантациях в виде деревьев или других видов растений, например, травы (сорго, сахарный тростник). Все эти виды растений могут быть использованы в качестве топлива.

Основным преимуществом при этом является короткий период выращивания (ротации) – обычно от трех до восьми лет. Для некоторых видов трав урожай может собираться каждые 6-12 месяцев. В мире существует около 100 миллионов гектаров земли, используемой для плантаций древесных культур.

Важными параметрами при выборе видов растений для Приоритетом выращивания растений на энергетических плантациях являются: наличие вида на местном рынке, простота разведения, устойчивость развития в неблагоприятных условиях и продуктивность, выраженная в производстве сухой биомассы на гектар в год (т/га/год).. Это наиболее важный фактор при решении вопроса о производстве биомассы с целью оптимизировать ее производство на определенной территории в определенный период времени с наименьшими затратами. По этой причине высокопроизводительные виды биомассы предпочтительны для производства энергии. топливо из биомассы (сырье) [5-17].

Некоторые виды растений демонстрируют высокую продуктивность. Например, ряд сортов эвкалипта имеют продуктивность 65 т/га/год сухой биомассы, виды Salixand Populus показывают соответственно 30 и 43 т/га/год.

5.3. Использование топлива из биомассы

Рис. 5-46. Эвкалипт царственный.[5-29].

Древесное топливо составляет 10 % топлива, используемого в мире. В Азии и Латинской Америке его доля составляет 20 %, в Африке – 50 %. При этом древесина является главным источником энергии, особенно в бытовых целях, во многих бедных развивающихся странах. В 22 странах древесное топливо обеспечивает от 25 до 49 % потребления энергии, в 17 странах – 50–74 % и в 26 странах – 75-100 %. [5-30].

Увеличение производства древесины путем внедрения эффективных технологий является необходимым условием устойчивого развития в развивающихся странах.

Увеличение использования древесного угля в Европе связано с промышленной революцией в Англии в 17 – 18 веках. В Швеции потребление древесного угля выросло в течение 19 столетия в связи с производством металла, в частности, высококачественной стали. Сегодня древесный уголь остается важным видом бытового и, в меньшей степени, промышленного топлива во многих развивающихся странах. Он преимущественно используется в городах, где простота хранения, высокая теплотворная способность (30 МДж/кг по сравнению с 15 МДж/кг для древесины), меньшее количество дымовых выбросов и устойчивость к насекомым делают его более привлекательным, чем древесное топливо. В крупных городах Танзании доля древесного угля составляет 90 % общего энергопотребления.[5-30].

Потенциал образования лесных и сельскохозяйственных отходов огромен – около 2 миллиардов т/год во всем мире. Около 800 миллионов обитателей Земли используют с/х отходы и навоз для приготовления пищи, хотя точные подсчеты сделать трудно. В противоположность распространенному мнению, использование навоза в качестве источника энергии не ограничено только развивающимися странами. Например, в Калифорнии коммерческие биогазовые установки генерируют около 17.5 МВт электроэнергии, используя навоз крупного рогатого скота. Большое количество биогазовых установок имеется в Европе.[5-30].

Количество энергии, которое теоретически возможно получить из возобновляемых отходов, составляет 54 ЭДж 1.8 млрд. ту.т. в развивающихся странах и 42 ЭДж 1.43 млрд. ту.т. в развитых регионах. Возобновляемые отходы включают три основных компонента: лес, продукты растениеводства и навоз. В расчётах предполагается, что только 25 % отходов используется полезно. Развивающиеся страны теоретически могут покрыть 15 % потребностей в энергии за счет отходов, промышленные страны – 4 %.. [5-30].

Отходы сахарного тростника (жом, листья) – огромный потенциал для производства электроэнергии.

Количество электроэнергии, вырабатываемой из сахарного тростника может в 44 раза превышать собственное ее потребление сахарным или спиртовым заводом. На каждый литр спирта газовая турбина может произвести более 11 кВт-ч электроэнергии сверх собственного потребления завода (около 820 кВт-ч/т). По другим оценкам, использование жома для конденсационных турбин дает дополнительно 20–65 кВт-ч электроэнергии на тонну тростника. Этот количество может быть удвоено с помощью использования вида barbojo в межсезонье. Себестоимость произведенной электроэнергии оценивается в 0,05 $/кВт-ч. Доходы от продажи электроэнергии могут считаться основным продуктом, а спирт побочным. [5-30].

В Индии производство электроэнергии из отходов сахарного тростника в 2030 году может достичь 550 ТВт-ч/год (общее производство электроэнергии из всех источников в стране в 1987 году было менее 220 ТВт-ч – Тера= 1х10¹²). В глобальном масштабе около 50 ГВт установленной мощности может быть обеспечено с помощью отходов. Теоретический потенциал отходов в 80 развивающихся странах, производящих сахар из сахарного тростника, достигает 2800 ТВт-ч/год, что на 70 % превышает общее производство электроэнергии в этих странах в 1987 году. Изучение общего потенциала сахарной промышленности дает цифру 500 ТВт-ч/год. Предполагая, что третья часть отходов может быть использована для производства электроэнергии с помощью внедрения новых технологий, 10 % современной мировой потребности в электроэнергии (10000 ТВт-ч/год) может быть обеспечена из этого источника. [5-31].

Ятрофа.[5-32].

Рис. 5-47. Культивируемая Ятрофа ядовитая – Jatropha curcasL[5-33].

Ятрофа ядовитая – Jatropha curcas L. Многолетнее древовидное растение, легко распространяется с помощью семян и размножается черенками. Относится к семейству молочаевых… Хорошо растет в странах с тропическим и субтропическим климатом, но встречается по всей планете. Больше известна как многолетний древовидный сорняк, растущий на бедных сухих почвах. Ятрофа успешно аклиматизировалась и столетиями произрастает в Африке и Азии, а в последние десятилетия культивируется во всем мире. Это засухоустойчивое растение, хорошо растет в полузасушливых и засушливых условиях. Также успешно вегетирует в условиях достаточной влажности. Сегодня ятрофу выращивают во многих тропических странах, где сумма ежегодных осадков составляет 300-1000 мм, а средняя температура – выше 18–20 °C. По этим параметрам культурное производство растения можно пробовать и в России. Растение предпочитает хорошо дренированные и аэрированные почвы. Содержание питательных веществ в почве не является главным фактором, влияющим на продуктивность ятрофы. Она может расти как на плодородных почвах, так и на почвах с низким содержанием гумуса. Ятрофа невысокое древовидное или кустарниковое растение, высота растения от трех до пяти-шести метров, но иногда, в благоприятных условиях, может достигать и восьмидесяти. Листья простые, большие, пальчастые с тремя или пятью лопастями; на черешках зеленого или бледно-зеленого цвета. На стеблях они размещены спирально, под противоположным к югу углом. Цветы собраны в соцветия и размещены на черешках длиной от 6 до 23 мм. Соцветия размещаются в пазухах листьев.

Плоды созревают в зимний период, когда растение сбрасывает листья. В условиях тропиков может давать урожай несколько раз в год. Из одного соцветия образуется 10 или больше яйцевидных плодов, в каждом плоде – по два-три крупных семени. Семена дозревают, когда околоплодник меняет цвет с зеленого на желтый. В семенах ятрофы содержится 30 % различных масел… Сейчас занимающиеся созданием биотоплива предприниматели в Индии и Африке насаждают плантации и производят топливо из семян этого растения. Британская компания по производству биогорючего D1 Oils засадила ятрофой 150 тыс. га земель в Свазиленде, Замбии и ЮАР, а также в Индии. В этом году фирма планирует удвоить размеры посевов. Голландская компания BioKing, производитель оборудования для создания биотоплива, выращивает плантации ятрофы в Сенегале.

Правительство Китая также приступило к внедрению в жизнь широкомасштабного проекта.

Семена бразильской ятрофы ядовитой содержат 40 % масла… Этот кустарник можно с успехом выращивать на заброшенных и неиспользуемых землях. Поэтому наиболее эффективными становятся небольшие проекты, предусматривающие высаживание ятрофы вместе с другими растениями. Такой метод применяется в Кении и на Мадагаскаре, где ятрофа растет вместе с ванилью. Перспективность культивирования ятрофы. Во-первых, имеет высокий выход масла из семян в сравнении с основными биодизельными культурами соей и рапсом. Из сои получают масла для биодизеля с гектара почти 400 кг, из рапса – 1 т, из ятрофы – 3 т (по другим данным – см. табл.). И это еще не предел возможного выхода масла и урожайности ятрофы. Во-вторых, растение непривередливое, легко приспособляемое. Трудности при выращивании ятрофы могут возникать только из-за недостаточной механизации, ведь большинство операций пока проводят вручную, в частности уборку семян.

Чего ожидать?

Первые три года ятрофа не дает большого количества плодов. На четвертый год урожай составляет около 2 т/га, пятый – 3 т/га, шестой – 3,5 т/га, седьмой – 4 т/га, восьмой – 4,5 т/га, на девятый год – до 5 т/га. При хорошем уходе кустарники дают урожайность до 6,5 т/га. Плодоносит ятрофа до 23–30 лет. Жизнеспособность семена сохраняют до 50 лет. В течение 20 лет растение можно использовать в коммерческих целях. Как показывает опыт бразильских фермеров, с одного куста ятрофы они получают до 2 л биотоплива (1,7 л) или от 0,5 до 1,5 т биодизеля с 1 га. Если посадки ятрофы орошать, эти цифры можно удвоить. Созревают плоды медленно (за 4-5 лет). Научно-исследовательским центром в Тамил Наду (Индия) выведен скороспелый гибрид ятрофы ядовитой, который формирует плоды уже через 6 месяцев и 16 дней после посадки. В первые 2–3 года поля не приносят прибыли. Для посадки ятрофы зачастую используют рассаду. Оптимальная схема посадки 3х3 м, 1100 растений на 1 га. В условиях достаточной увлажненности количество растений можно увеличивать до 1666. В зависимости от уровня увлажнённости почв и плодородия с гектара получают от 2,5 до 5 т семян. На десятилетних посадках урожайность повышается до 12 т/га. В одном зрелом семени гибрида ятрофы 6 % влаги, 18 % белка и 40 % масла, 17 % углеводов, 16 % клетчатки и 5 % зольных элементов.

Масло ятрофы состоит из 21 % ненасыщенных жирных кислот и 79 % – насыщенных. В семенах содержится небольшое количество ядовитого для человека вещества – курзина, поэтому масло из семян ятрофы не используют в пищу. Латекс ятрофы содержит алкалоид – ятро-фин, который входит в состав противораковых лекарств, мазей для лечения кожных заболеваний, ревматизма. Из коры получают натуральные синие красители для тканей. Листья используют как корм для тутовых шелкопрядов в условиях искусственного разведения. Европейские селекционеры работают над выведением новых высокомасличных, скороспелых и морозоустойчивых гибридов ятрофы ядовитой.

Уже выведен гибрид, который не содержит в семенах ядовитый алкалоид курзин.

Рис. 5-48. Разведение посадочного материала ятрофы. [5-36].

Рис. 5-49 Плоды Ятрофы рассеченной Jatropha multifeda [5-35].

Рис. 5-50. Зоны выращивания ятрофы. [5-37].

Рис. 5-51. Микрокристаллическая клетчатка.

5.4. Клетчатка [5-38]

5.4.1. Микрокристаллическая клетчатка [5-34]

Растительная клетчатка – естественный углеводородный ресурс, запасы которого не уступают нефти, но твердую клетчатку нельзя залить в топливный бак и дорого перерабатывать в жидкое биотопливо. Клетчатку нельзя залить в баки, но можно засыпать плотный легкосыпучий порошок, получаемый при ее несложной химической модификации. Порошковое биотопливо может стать одним из потенциальных «Зеленых» топлив для автомобилей.

Кристаллическая клетчатка.

Самый распространенный в природе углеводный продукт растительного происхождения – биоклетчатка, химическую основу которой составляет "целлюлоза".. Топливо из биоклетчатки дешево и повсеместно доступно, но целлюлоза твердое вещество. Целлюлоза служит первоначальным сырьем для производства жидкого моторного биотоплива. "Биоэтанол" или "Гидролизный спирт", получается при брожении сахаристых продуктов гидролиза целлюлозы. "Метанол" или "Метиловый спирт" получается при сухой перегонке – пиролизе, древесины или другого целлюлозного сырья. [5-38].

Биотопливо широко используется только в странах Латинской Америки из-за дефицита нефти и высокопродуктивного сельского хозяйства. Если использовать целлюлозное биотопливо без переработки в спирт, это повысит его КПД и снизит стоимость, но целлюлоза твердое вещество, а автомобильные двигатели не приспособлены для работы на твердом топливе. [5-38].

При измельчении целлюлозы в мелкий порошок, ее можно сделать пригодной для топливных систем. Целлюлозе можно придать форму мелкодисперсного порошка удобного во всех отношениях, если изменить ее молекулярную структуру.

При неполном гидролизе длинные полимерные молекулы целлюлозы разрываются, но сохраняют форму цепей, не превращаясь при этом в продукты полного гидролиза, сахара. Продукты неполного гидролиза клетчатки называются микрокристаллической целлюлозой – "МКЦ". По физическим свойствам МКЦ сходна с крахмалом, она образует коллоидные растворы с водой, структура твердой МКЦ не волокнистая и она может измельчаться в порошок. Если раствор МКЦ измельчать и высушивать методом распыления в сухом теплом воздухе, то МКЦ приобретает форму сферических микрогранул. [5-38].

Микрогранулированная МКЦ – это плотный легкосыпучий порошок, по плотности сравнимый с нефтяным горючим. Из-за высокой сыпучести порошки из сферических частиц ведут себя подобно жидкостям. " [5-38].

Твердое топливо в форме легкосыпучего порошка может использоваться жидкостной топливной системой, с измененными насосами и дозаторами, и топливопроводами большого диаметра, выстланными внутренним антифрикционным покрытием. Благодаря псевдотекучести топливо из микрогранул МКЦ можно использовать для стандартных автомобильных двигателей внутреннего сгорания – "ДВС". Под целлюлозную пыль можно адаптировать даже серийные двигатели, заменив только топливную систему и дополнительно оснастив цилиндры дозаторами и системами распыления для пылевого топлива. Топливную пыль можно подавать в цилиндры и распылять при помощи струй сжатого воздуха, поступающего от насоса высокого давления, или аккумулируемого в небольших камерах, в начале рабочего хода.

Таблица. 5-1

Сравнительные данные по выходу масла из различных сельскохозяйственных культур

Целлюлозное биотопливо в форме порошка МКЦ, это более дешевый и рациональный способ использовать растительную клетчатку в качестве возобновляемого топливного ресурса. Порошок МКЦ более удобен в качестве возобновляемого химического сырья, чем твердая целлюлоза, древесина или солома. МКЦ может служить основой для синтеза недорогих и биологически разлагаемых – «зеленых» полимеров. МКЦ может быть инертным наполнителем при производстве пластмасс или резины, делая эти материалы более дешевыми и биоразлагаемыми. МКЦ может служить компонентом строительных и отделочных материалов. Примеси МКЦ в бетон, смеси для штукатурки и внутренней отделки, гипсокартона, делают эти материалы более легкими и улучшают их тепло– и шумоизолирующие свойства.

Перевод растительной клетчатки в форму порошка МКЦ позволяет использовать ее как возобновляемый естественный источник углеводородного сырья, конкурентный по цене с ископаемыми углеводородами. Для России, богатой источниками растительной клетчатки, технологии использования МКЦ в качестве топливно-химического сырья может составить альтернативу ископаемому топливу. В МКЦ можно с одинаковой эффективностью перерабатывать целлюлозу из любых источников, не тратя на ее получение ценную древесину твердых пород. МКЦ можно получать из быстрорастущих деревьев и кустов, ивы, вербы, и подобных, из сухой травы и соломы, из сухой хвои и листвы опавшей с деревьев, и подобных источников биоклетчатки не имеющих полезного применения, но повсеместно доступных. Особенно богата источником целлюлозы Сибирь, эта огромная территория может быть практически неиссякаемым источником биоклетчатки. [538, 5-39].

Термин энергетическая ферма используется в очень широком смысле, обозначая производство энергии в качестве основного или дополнительного продукта сельскохозяйственного производства, лесоводства, аквакультуры, а также те виды промышленной и бытовой деятельности, в результате которых образуются органические отходы.

Наиболее характерный пример энергетических ферм представляют собой предприятия по выращиванию и комплексной переработке сахарного тростника. Следует отметить, что этиловый спирт и электроэнергию можно использовать для выращивания культур и выполнения транспортных операций.

Для выращивания и переработки урожая необходима энергия в форме солнечного излучения и в форме, пригодной для получения топлива для работы сельхозмашин, создания самих этих машин, получения удобрения и т. п. Для оценки эффективности получения энергии из того или иного вида биомассы необходимо проведение энергетического анализа.

Энергетический анализ – это определение затрат энергии энергопотребляющих и энергопроизводящих систем, позволяющий выделить технические и технологические аспекты процесса. На практике энергетический анализ и связанный с ним анализ экономических факторов получения и переработки биомассы агропромышленным методом оказываются достаточно сложными. Однако использование для получения тепла и электроэнергии дешевых отходов биомассы может иметь решающее значение при оценке эффективности того или иного процесса.[5-40].

Запасы углеводородного сырья исчерпаемы и этот факт огорчает европейцев, но не слишком. Цивилизация, как они считают, обязана ответить и на этот вызов. И вот эта идея реализована в Нидерландах: один из представленных вариантов – обогревать дома с помощью сточных вод. В Амстердаме находится крупная установка по очистке сточных вод. Потом образующийся в метантенках биогаз собирают, и снабжают им всю установку. Образующиеся излишки энергии тоже используются.

Эта технология называется – «экостилер».

«Экостилер» не единственная система, использующая вышеописанный принцип. В отличие от «экостилеров» при сжигании ненужного картона или кузовов получают синтез-газ. Газ под давлением уходит по трубам в дома. Таким образом, светом и теплом снабжают не менее 25 000 домов, которые находятся на площади примерно в 20 кв. км.

Те, кто воплотили идею в жизнь, не скрывают своих радужных ожиданий. «Мы надеемся, что Амстердам сможет почти наполовину сократить выбросы двуокиси углевода в атмосферу».

Литература

5-1. БИОМАССА

5-2.Эбеновое дерево., www.redfloor.ru

5-3.Быстрорастущая пальма www.vmireinteresnogo.com.

5-4.Гибридный тополь – тополь советский. www.sadoved.com.

5-5.Гибридные пирамидальные тополя. www.pushkino.tv.

5-6.Betula maximowicziana(берёза Максимовича) www.

imperiasada.com.ua.

5-7. Кипарисовик Лавсона “Columnaris” 190–210 см www.green-park.kg.

5-8.Хвойное дерево. Быстрорастущий сорт Туи www.uzhniy.ru.

5-9. Siemens – Биоэнергетика.,

5-10. Сорго сахарное., www.agro-trend.ru

5-11. Маниока., www.panama.ru.

5-12. Эйхорния – плавающее водное растение., www.chekltd.ru…

5-13. Морская водоросль – Ламинария., www.vodorosli-online.ru.

5-14. Бурые морские водоросли., www.roskosmetika.ru

5-15. микроводорослей Dunaliella., www.pro-fermu.ru.

5-16. Микроводоросль хлорелла., www.articles.agronationale.ru.

5-17. Биомасса(энергия биомассы)., www.ecomuseum.kz.

5-18. Древесные отходы., www.woodtechnology.ru.

5-19. Производство топливной щепы в лесу с помощью лесного комбайна с харвестерной головкой., www.lesopromyshlennik.ru.

5-20. Харвестеры., www.transtrader.ru.

5-21. Харвестер Ponsse Ergoharvester.,www.forvarder.com.

5-22. Харвестер., www.srub-stroi.ru.

5-23. Валочная головка Харвестера., www.vneshles.narod.ru.

5-24. Харвестер Форвардер John Deere Timberjack., www.tech4stroy.ru.

5-25. Форфардеры (транспортер) www.transtrader.ru.

5-26. John Deere Forwarder1010E.,www.avtorinok.ru.

5-27. Форвардер. www.lesprominform.ru.

5-28. Упакованные стебли кукурузы. www. esco-ecosys.narod.ru. 5-29. Эвкалипт царственный, www.angel-moi.ucoz.ru.

5-30. Использование топлива из биомассы в развивающихся странах., www.pomreke.ru.

5-31. Источник: www.pomreke.ru.

5-32. Биотопливо как неисчерпаемый источник., www.zerno-ua. 5-33. Ятрофа ядовитая – Jatropha curcas L test.zerno-ua.com.

5-34. Микрокристаллическая клетчатка.,

www.AlternativEnergy.ru.

5-35. Плоды Ятрофы рассеченной– Jatropha multifeda.,

ru.wikipedia.org.

5-36. Плоды Ятрофы www.westafricanplants.s.

5-37. Плоды Ятрофы ядовитой (Jatropha Curcas). на разных стадиях зрелости. www.fao.org.

5-38. Биоэнергетика ^Биоэнергетика в России.,

www.AlternativEnergy.ru.

5-39. Производство биомассы для энергетических целей., www.science-award.siemens.

5-40. Утилизация сточных вод.

Глава 6. Твердое биотопливо

6.1. Дрова

Древнейшее топливо, используемое человечеством. Для производства дров или биомассы выращивают энергетические леса, состоящие из быстрорастущих пород (тополь, эвкалипт и др.).

6.2. Топливные гранулы и брикеты

Прессованные изделия из древесных отходов (опилок, щепы, коры, тонкомерной и некондиционной древесины, порубочные остатки при лесозаготовках), соломы, отходов сельского хозяйства (лузги подсолнечника, ореховой скорлупы, навоза, куриного помета) и другой биомассы. Древесные топливные гранулы или пеллеты имеют форму цилиндрических или сферических гранул диаметром 8 – 23 мм и длиной 10–30 мм.

Рис. 6–1. Дрова, [6–1]

Рис. 6–2. Эвкалипт радужный., [6–2]

Рис. 6–3. Топливные брикеты…[6–3].

Брикеты и пеллеты выделяют больше тепла, чем опилки и щепа, увеличивая коэффициент полезного действия котельных, не требуют больших складских площадей и при хранении не самовоспламеняются. Но с другой стороны, автоматизировать процесс загрузки брикетов в топочное устройство довольно сложно. С этой точки зрения гораздо удобнее топливные гранулы – пеллеты.

Рис. 6–4 Пеллеты.,[6–4].

Это цилиндрические прессованные изделия из высушенной древесины. Сырьем для их изготовления могут быть опилки, стружка, щепа и другие отходы деревообработки. В состав пеллет также может входить торф и измельченная древесная кора. Пеллеты производятся без химических закрепителей под высоким давлением.

Теплотворная способность пеллет сравнима с углем и составляет 4,3 – 4,5 кВт / кг. При сжигании 1 тонны пеллет выделяется столько же энергии, сколько при сжигании 1,6 тонн древесины, 480 м³ газа, 500 литров дизельного топлива или 700 литров мазута.

Пеллеты намного экологичнее традиционного топлива: в 10 – 50 раз ниже эмиссия углекислого газа в воздушное пространство, в 15 – 20 раз меньше образование золы, чем при сжигании угля. Затраты энергии на производство древесных гранул составляют примерно 3 % от содержания энергии, что гораздо ниже затрат на получение природного газа или мазута.

Пеллеты используются для сжигания в домашних каминных печах и отопительных устройствах. Это печи с открытым пламенем, которые устанавливаются внутри помещения и отдают тепло за счет теплового излучения или вследствие конвекции. Именно этот тип теплового излучения считается наиболее комфортным для человека. Нагревательные устройства, работающие на пеллетах, регулируются в автоматическом режиме. Единственный недостаток этих отопительных систем в том, что необходимо периодически удалять золу. Зато её можно не выбрасывать и использовать в качестве удобрения.

Потребление пеллет как вида топлива растет быстрыми темпами. Котельные на биотопливе пользуются в Европе большой популярностью. В Германии в течение 2002 года было установлено более 5000 котлов, работающих на пеллетах. В Северной Рейн Вестфалии (Германия) до 2006 года правительство этой земли планировало заменить 500 тыс. устаревших котлов на биотопливые. Правительство спонсирует каждый установленный котел в размере 3 тыс. евро. Растет количество производителей автоматических котлов, работящих на паллетах. По прогнозам Института энергетики и охраны окружающей среды ФРГ, к 2007 году в Германии работало более 1 млн котлов и печей на пеллетах. Ежегодный расход пеллет составит 4 млн тонн.

В Швеции потребление пеллет ежегодно растет примерно на 30 %. Правительственной программой Швеции было увеличено потребление пеллет до 7 млн тонн в год к 2010 году.

Постепенный перевод котельных европейских стран на пеллеты ставит проблему гарантированной и бесперебойной поставки биотоплива. А это невозможно без импорта древесного сырья [6–5].

1.3. Энергоносители биологического происхождения (главным образом навоз и т. п.) брикетируются, сушатся и сжигаются в каминах жилых домов и топках тепловых электростанций, вырабатывая дешёвое электричество.

1.4. Отходы биологического происхождения – необработанные или с минимальной степенью подготовки к сжиганию: опилки, щепа, кора, лузга, шелуха, солома и т. д.

1.4.1. Древесная щепа – производится путем измельчения тонкомерной древесины или порубочных остатков при лесозаготовках непосредственно на лесосеке или отходов деревообработки на производстве при помощи мобильных рубительных машин или с помощью стационарных рубительных машин (шредеров). В Европе щепу в основном сжигают на крупных теплоэлектростанциях мощностью от одного до нескольких десятков мегаватт.

1.5. Топливный торф (фрезерный) – сжигается в отопительных печах, водогрейных котлах и тепловых электростанциях.

Рис. 6–5. Торфяные брикеты., [6–6].

Рис. 6–6. Брикет торфяной – таблетка., [6–7]

Торф – горючее полезное ископаемое растительного происхождения, предшественник генетического ряда углей. По определению торф является органической горной породой, содержащей не более 50 % золы, образовавшаяся в результате биохимического расклада болотных растений в условиях повышенной обводненности и дефицита кислорода.

Рис. 6–7. Российская линия брикетирования и гранулирования., [6–8]

Рис. 6–8. Оборудование для производства топливных брикетов, Уфа.,[6–9]

От ближайшей горной породы в ряде каустобиолитов – бурых углей по физическим свойствам он отличается повышенным содержанием влаги, рыхлой структурой, низкой плотностью, а химическим – наличием широкого класса органических водо-растворимых и легкогидролизуемых соединений, гуминовых кислот, сахаров, битумов, гемицеллюлоз и целлюлозы. С современных представлений физикохимической механики природных дисперсных систем торф представляет сложную многокомпонентную, многофазную, полидисперсную полуколлоидно-высокомолекулярную систему с признаками полиэлектролитов и микромозаичной гетерогенности. [6-10].

Ежегодный прирост запасов торфа в мире ок. 500 млн. тонн – это ресурс для производства 14.5 ЭДж электроэнергии в год.

Энергетические леса – выращивание быстрорастущих культур (эвкалипт, тополь, ива и другие); годовой урожай может составлять около 7 т/га. Крупнейшая в Европе электростанция, работающая на древесной биомассе (Зиммеринг, Австрия). Мощность электростанции 66 МВт. Электростанция ежегодно потребляет 190 тысяч тонн биомассы, собираемой в радиусе 100 км от станции. Выход электроэнергии с 1 га энергетического леса составит 21500 кВт. ч

Слоновья трава, Miscanthus giganteus

Рис. 6–9. Слоновья трава, [6-11].

Урожай биомассы до 60 т/га. Выход электроэнергии с 1 га мискантуса составит 180 тыс. кВт. ч. Если занять под мискантус 1 млн. га МЗР (мировые земельные ресурсы), потенциальный выход электроэнергии составит 180 млрд. кВт. ч.

Литература

6-1. Дрова, www.asi.org.ru.

6-2.Эвкалипт радужный., www.glamyrka.com.

6-3.Топливные брикеты., www.enik-pilomat.ucoz.net.

6-4. Пеллеты.

6-5. Будущее – за пеллетами., www.new-pellet.ru.

6-6. Торфяные брикеты., www.vladivostok.neobroker.ru.

6-7. Брикет торфяной – таблетка., www.vologodskaya.all.biz.

6-8. Российская линия брикетирования и гранулирования. www.promsnab.dn.ua.

6-9. Оборудование для производства топливных брикетов, Уфа., www.doskaurala.ru.

6-10. Рациональное использование торфа и сапропеля в России www. 2.gaz.kostroma.ru.

6-11. Слоновья трава, www.anticomprador.ru.

Глава 7. Жидкое биотопливо

Нефть – кровь современной экономики. Она – символ власти, богатства, войны, коррупции, политических интриг и экономических страхов. С каждым годом ее требуется все больше, а стоит она все дороже. [7–1]

7.1. Введение

Министерство энергетики США выяснило, что электромобили не станут популярными даже в 2040 году. [7–2]

Рис. 7–1. Электромобиль.[7–2].

Министерство энергетики США считает, что электромобили не будут пользоваться спросом даже в 2040 году.

Министерство энергетики США опубликовало ежегодный отчет (апрель 2013) о перспективах энергетических рынков Annual Energy Outlook (EIA). В документе, в частности, был поднят вопрос о типе автомобилей, который будет доминировать в будущем.[7–3].

По данным экспертов, в 2040 году 78 % автомобилей на дорогах США будут оснащены двигателями внутреннего сгорания (ДВС), работающими на горючем топливе естественного происхождения.

При этом 42 % всех автомобилей с ДВС будут оснащены системами «старт-стоп» и рекуперативными тормозами, которые позволяют сохранять полученную от замедления машины энергию.

Заряжаемые от электросети гибриды и «чистые» электромобили составят лишь по 1 % автопарка соответственно. Традиционные гибриды, которые пользуются и ДВС, и электромотором, составят около 5 % автомобилей на дорогах.

Вместе с тем средний расход топлива автомобилей в США должен составить в 2040 году 6,3 л на 100 км пути против нынешних 11 л.

Тем не менее, данный результат все же отстает от задачи, поставленной администрацией президента США Барака Обамы на 2025 год. По мнению главы государства, к этому сроку все новые автомобили на рынке США должны потреблять не более 4,3 л на 100 км пути.

По данным министерства энергетики, с учетом постоянного роста добычи нефти в 2040 году литр бензина будет стоить в США около $1,03. Такой же объем дизельного топлива будет стоить в 2040 году уже $1,3. Стоит отметить, что легковые автомобили с дизельными двигателями редко встречаются в США: по прогнозу EIA, их доля к 2040 году возрастет лишь до 4 % с нынешних 2 %.

Вместе с тем в министерстве предполагают, что количество автомобильных поездок к 2040 году увеличится на 30 %. [7–4].

Одними из важнейших направлений современной Биоэнергетики является:

1) промышленное разведение растений – продуцентов углеводородов,

2) биотехнологическая конверсия (получение этилового и других спиртов, органических кислот, растворителей из различных видов биомассы;

3) термохимическая конверсия (прямое сжигание, газификация, пиролиз, сжижение, фест-пиролиз, синтез) для получения жидкого топлива;

4) Химико-каталитическая конверсия биотоплив второго порядка: биоэтанола, растительных масел, целлюлозы в жидкие топлива третьего порядка: бензин и керосин и другие углеводороды алканового ряда с общей формулой CnH2n+2

7.2. Жидкие биотоплива

7.2.1. Биоуглеводороды

Термин БИОУГЛЕВОДОРОДЫ объединяет органические соединения углеводородной структуры, либо продуцируемые непосредственно флорой, либо получаемые из органических веществ фотосин-тетического происхождения посредством термохимических процессов или биохимического или химического катализа.

В настоящее время в плане создания промышленных производств биоуглеводородов особый интерес представляют разнообразная макрофлор– и микроорганизмы: бактерии, водоросли, грибы.

Рис. 7–2. Карта-схема Крупнейших производителей биотоплива в мире. 2008 г. Россия на схеме не отмечена-она идет своим путем. [5].

На рис. 7–2 показаны химический (черный), б) биологический (зеленые), и в) тепловой (красный) пути производство биоуглеводородов, полученных из I), древесной биомассы и б) водорослей. Производство бензина или дизельного эквивалента зависит от технологии… Топливо для реактивных двигателей также может быть произведено.

Широкий простор перед исследователями и производителями открывает генная инженерия.

Рис. 7–3. Пути образования биоуглеводородного топлива.

7.2.2. Биоэтанол [7–6]

Рис. 7–4. Объемная формула биоэтанола. [7–6].

Этанол – одноатомный спирт с формулой C₂H₅OH (С₂Н₆0), другой вариант:

СН₃-СН₂-0Н, второй представитель гомологического ряда одноатомных спиртов, при стандартных условиях летучая, горючая, бесцветная прозрачная жидкость. Молярная масса: 46,06844 г/моль… Плотность: 789,00 кг/м³ Температура кипения: 78,37 °C

Температура плавления: -114 °C

Давление насыщенного пара: 5,95 кПа

Этиловый спирт используется как топливо, в качестве растворителя, как наполнитель в спиртовых термометрах и как дезинфицирующее средство (или как компонент его).

Биоэтанол получается при переработке углеводов растительного сырья. Этанол можно производить в больших количествах из целлюлозы. 80 % этанола имеет топливное применение, 12 %– техническое и 8 % – пищевое.

Рис. 7–5. Производство биоэтанола в мире, млрд. л. [7–7].

Рис. 7–6. Прогноз мирового потребления биоэтанола, млн. литров [7–8].

В 2009 году мировое производство составило 59.3 млн. т (рост на 10 % по сравнению с 2008 г., на 400 % по сравнению с 2000 г.). В 2009 г. ведущие места по производству этанола заняли США (31.2 млн. т -54 %), Бразилия (19.4 млн. т – 34 %) и ЕС-2.9 млн. т (5 % мирового производства).

19 декабря 2007 года президент США подписал закон о Энергетической независимости и безопасности (EISA of 2007). EISA от 2007 предусматривает производство 132.5 млн. тонн этанола в год к 2022 году. При этом 73 млн. куб. м или 60 млн. т этанола будет производиться из целлюлозы – не пищевого сырья.

Топливные смеси этанола Е5, Е7, Е10 – смеси с низким содержанием этанола (5, 7 и 10 весовых процентов, соответственно), наиболее распространённые на рынке.

Рис. 7–7. План типичного американского завода биоэтанола. [7–9].

Топливный баланс этанола равен 1.24. То есть из этанола, произведённого из кукурузы, можно получить на 24 % энергии больше, чем было затрачено при производстве этанола.

Топливный баланс бензина хуже, чем у этанола. Для производства бензина требуется большое количество энергии: для разведки нефти, её добычи, транспортировки (нужно строить танкеры и трубопроводы), переработки, доставки бензина и т. д.

Рис. 7–8. Схема производство этанола из пшеничной муки.[7-10].

Рис. 7–9. Завод по производству этанола в Зап. Бёрлингтоне, шт. Айова, США. [7-11] / Рис. 7-10. Заправочная станция в Бразилии, продающаяэтанол. [7-11].

Топливный баланс этанола, производимого из целлюлозы может достигать 2. Это открывает широкие возможности для России.

Рис. 7-11. Citroen выпускает первый автомобиль на биотопливе [7-56].

Рис. 7-12. GM создал Hummer H3 на биотопливе [7-57]

Рис. 7-13. Внедорожники Hummer будут работать на биотопливе [7-58].

Крупнейшие автопроизводители США Форд и Дженерал Моторс уже создали модели автомобилей, работающих на этаноле. Остается только сделать альтернативное топливо более дешевым и доступным. Автомобиль был припаркован у здания Конгресса США в то самое время, когда там обсуждались проблемы развития производства топлива из биомассы в мае этого года. [7-62].

Рис. 7-14. Елизавета II за «зелёных»: королевский Bentley переводится на биотопливо [7-59].

США в августе 2005 года приняли «Энергетический Билль» (Energy Policy Act of 2005), и «Стандарт возобновляемых видов топлив» (Renewable Fuels Standard). Они предусматривают к 2012 году ежегодное производство 30 миллиардов литров этанола из зерновых и 3,8 миллиард литров из целлюлозы (стебли кукурузы, рисовая солома, отходы лесной промышленности и т. д.).[7-12].

7.2.2.Сырьё для производства биоэтанола

Многочисленные виды сырья для производства этанола можно разделить на три типа: а) сахар, получаемый из сахарного тростника, сахарной свеклы или фруктов, который может быть непосредственно преобразован в этанол; б) крахмалы из зерновых культур и корнеплодов, которые должны быть подвержены гидролизу в присутствии ферментов для получения ферментируемого сахара; в) целлюлоза из древесины, сельскохозяйственных отходов и т. д., которая должна быть превращена в сахариды с использованием либо кислот, либо ферментативного гидролиза. [13].

Рис. 7-15. Отходы переработки сахарного тростника (багасса) [7-13].

В настоящее время большая часть биоэтанола производится из кукурузы(США) и сахарного тростника (Бразилия). Сырьём для производства биоэтанола также могут быть различные с/х культуры с большим содержанием крахмала или сахара: маниок, картофель, сахарная свекла, батат, сорго, ячмень и т. д.

Большим потенциалом обладает маниок. Маниоку в больших количествах производят Китай, Нигерия, Таиланд. Себестоимость производства биоэтанола из маниоки в Таиланде – около $35 за баррель нефтяного эквивалента.(22 цента/ литр).

Лучшим климатом для производства сахарного тростника обладает Перу, страны Карибского бассейна. В больших количествах сахарный тростник могут также производить Индонезия и некоторые африканские страны, например, Мозамбик.

Крупнейшие производители биоэтанола в США компании Archer Daniels Midland и Cargill.

Этанол можно производить в больших количествах из целлюлозы. Сырьём могут быть различные отходы сельского и лесного хозяйства: пшеничная солома, рисовая солома, багасса сахарного тростника, древесные опилки и т. д.

Известный с давних времён способ получения этанола – спиртовое брожение органических продуктов, содержащих углеводы (виноград, плоды и т. п.) под действиемферментов дрожжей и бактерий

Аналогично выглядит переработка крахмала, картофеля, риса, кукурузы, и проч. Реакция эта довольно сложна, её схему можно выразить уравнением:

C₆H₁₂O₆ -> 2C₂H₅OH + 2CO₂

В результате брожения получается раствор, содержащий не более 15 % этанола, так как в более концентрированных растворах дрожжи обычно гибнут. Полученный таким образом этанол нуждается в очистке и концентрировании, обычно путем дистилляции.

7.2.3. Промышленное производство спирта из биологического сырья

Современная промышленная технология получения спирта этилового из пищевого сырья включает следующие стадии:

• подготовка и измельчение крахмалистого сырья – зерна (прежде всего – ржи, пшеници. Картофеля и др.);

• ферментация. На подавляющем большинстве спиртовых производств мира ферментативное расщепление крахмала до спирта при помощи дрожжей оставлено.

Для этих целей применяются рекомбинантные препараты альфа-амилазы, полученные биоинженерным путем – глюкамилаза, амило-субтилин.

• брагоректификация. Осуществляется на разгонных колоннах.

Отходами бродильного производства являются барда и сивушные масла.

Барда используется для производства кормов.

7.2.4.Гидролизное производство

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 распространение. В СССР она широко использовалась для производства кормовых гидролизных дрожжей и гидролизного этанола.

7.2.5.Энергоэффективность этанола

В декабре 2007 года Университет Северной Дакоты и Центр Автомобильных Исследований Миннесоты (MnCAR) опубликовали результаты исследования энергоэффективности применения биоэтанола в автомобильном транспорте [12].

В исследовании принимали участие как обычные автомобили, так и автомобили с Flex-fuel двигателями. Исследовали смеси от 2 % до 85 % содержания этанола в бензине.

Рис. 7-16. Производство этилового спирта из гидролитзатов древесины, г. Тавда, Свердловская обл. РФ. [7-14].

Для обычных автомобилей наиболее оптимальной оказалась смесь 30. Потребление топлива снизилось на 1 % в сравнении с бензином. Результат получен на автомобилях Toyota Camry и Ford Fusion. Для flex-fuel автомобилей оптимальной оказалась смесь Е20. Потребление бензина снизилось на 15 %.

Результат получен на flex-fuel модели Chevrolet Impala.

7.2.6.Топливный баланс этанола

В 2005 г. начали появляться исследования, в которых утверждалось, что этанол, производимый из кукурузы, имеет отрицательный энергетический баланс.

В 2006 г. в своём отчёте Департамент сельского хозяйства США (USDA) сообщил, что этанол имеет топливный баланс 1,24. То есть из этанола, произведённого из кукурузы, можно получить на 24 % энергии больше, чем было затрачено при производстве этанола.

В Бразилии багасса сахарного тростника используется в качестве топлива на электростанциях. Это позволяет увеличить топливный баланс этанола, производимого из сахарного тростника, до 8.

Топливный баланс этанола, производимого из целлюлозы может достигать 2.

7.2.7.Экологические аспекты применения этанола в качестве топлива

Использование биоэтанола в качестве топлива позволяет снизить выбросы диоксида углерода, являющегося парниковым газом. Сокращение выбросов диоксида углерода при использовании биоэтанола зависит от используемого растительного сырья, климатической зоны и накладных расходов на его выращивание, транспорт и переработку, поскольку в этих процессах используется ископаемое топливо (агротехнические работы, сушка зерна при закладке на хранение, производство удобрений для восстановления плодородия почв, ректификация спирта и переработка отходов). Снижение выбросов CO₂ при производстве этанола из зерна по состоянию на 2007 г. в США составляло в среднем 19 %, предполагается, что при модернизации спиртового производства и переводе его исключительно на природный газ возможно снижение выбросов углекислого газа на 28–32 %.

Максимальное снижение выбросов CO₂ может быть достигнуто при производстве этанола из целлюлозосодержащих отходов (например, отходов лесной промышленности, 52 %) в качестве как источников целлюлозы, так и топлива в спиртовом производстве; теоретический максимум снижения выбросов – 82 %– может быть достигнут при производстве этанола из целлюлозной биомассы проса Panicum virgatum, однако такие производствав настоящее время (на 2011 г.) отсутствуют [7-12].

Главной проблемой производства биоэтанола из товарной сельско-хозяйственной продукции, в первую очередь из зерна, является сокращение доли земель, занятых под производство кормовых и пищевых культур и, как следствие, рост цен на продовольствие. Так, по оценкам бюджетного комитета Конгресса США, вклад роста использования зерна для производства этанола в повышении цен на продовольствие составил 35 %[7-12].

Содержащийся в этаноле кислород, позволяет более полно сжигать углеводороды топлива. 10 % содержание этанола в бензине позволяет сократить выхлопы аэрозольных частиц до 50 %, выбросы СО – на 30 %.

В 2006 году применение этанола в США позволило сократить выбросы около 8 млн тонн парниковых газов (в СО₂ эквиваленте), что примерно равно годовым выхлопам 1,21 млн автомобилей.

7.2.8. Автомобили, использующие биоэтанол в качестве топлива

В январе 2007 года, в своём ежегодном послании Конгрессу Дж. Буш предложил 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 биотопливом. 19 декабря 2007 года президент США Дж. Буш подписал закон о Энергетической независимости и безопасности (EISA, 2007). [7-12].

Этанол является менее «энергоплотным» источником энергии чем бензин; пробег машин, работающих на Е85 (смесь 85 % этанола и 15 % бензина; буква «Е» от английского Ethanol), 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). На «настоящем» этаноле могут работать только т. н. «Flex-Fuel» машины («гибкотопливные» машины). Эти автомобили также могут работать на обычном бензине (небольшая добавка этанола всё же требуется) или на произвольной смеси того и другого. Бразилия является лидером в производстве и использовании биоэтанола из сахарного тростника в качестве топлива. 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 %. Переделать обычную машину в «flex-fuel» можно, но экономически нецелесообразно.

Критики применения этанола в качестве автомобильного топлива зачастую заявляют, что под плантации тростника часто вырубаются тропические леса Амазонки. Но сахарный тростник не растёт в бассейне Амазонки.

Более серьёзным является то, что при сгорании этанола в выхлопных газах двигателей появляются альдегиды (формальдегид и ацетальдегид), наносящие живым организмам не меньший ущерб, чем ароматические углеводороды. [15].

К 2022 году, автомобили должны сжигать до 106.7 млн. т биотоплива в год, что эквивалентно одной четверти США потребление бензина сегодня (2010). Производство этанола из кукурузы неуклонно растет от 8.85 млн. т в 2005 году до 35.8 млн. т в 2010 году. 10 % этанола смешивается с 90 % бензина Более высокая концентрация этанола может привести к повреждению двигателей. Конгресс планирует ограничить производство топливного этанола из кукурузы до 44.4 млн. т к 2015г

Эксперты США полагают, что в ближайшие годы будут разработаны промышленные технологии получения биоэтанола из целлюлозы – до 415 млн. т в год.

Однако основным тормозом развития этого направления являются высокие стоимости на этанол – до 120 $ за баррель по сравнению с 75$ за баррель нефти. [7-16].

7.2.9. Биоэтанол, производство биоэтанола [7-17]

Этанол в качестве моторного топлива наиболее широко используется в Бразилии, что обусловлено значительными возможностями его производства. Более 90 % автомобилей в стране работают на моторном топливе, содержащем этанол. В 1991 г. была принята программа, предусматривающая обязательное применение 5 % этанола в составе бензина. В 2000 г. содержание этанола было доведено до 20 %. В ближайшие годы этанол будет составлять в среднем около 24 % в топливном балансе страны. Бразилия является крупнейшим в мире производителем этанола (до 16,0 млн т в год). Практически весь этанол в Бразилии получают ферментацией сахарного тростника или черной патоки. Около 240 тыс. т топливного этанола Бразилия импортирует из других стран. Все это стало возможным благодаря национальной программе по широкомасштабному использованию этанола в качестве автомобильного топлива и субсидиям правительства, которые получили соответствующую финансовую поддержку Мирового банка. В последнее время Бразилия использует в качестве топлива смеси, в которых содержание этанола составляет уже 26 % в бензине и 3,3 % – в дизельном топливе.

Огромный опыт производства и использования биоэтанола накоплен США.

В 2006 г. США опередили Бразилию, произведя 18,5 млн т биоэтанола из кукурузы и сорго. Благодаря производству этанола США ежегодно экономят около 1,5 млрд долл. на импорте нефти, несмотря на то что стоимость этанола выше стоимости бензина.

В соответствии с Законом «О возобновляемых топливах для обеспечения энергетической безопасности США» содержание этанола в бензине должно быть увеличено с 1,3 до 5 %. При производстве бензина в количестве 380–400 млн т это потребует производства этанола на уровне 15–20 млн т. В США планируется утроить выработку этанола. По инициативе сената использование этанола должно быть доведено до 54,6 млн. т в год к 2010 г. до 68 млн. т-к 2015 г. и примернодо 168 млн. т-в 2020 г. Таким образом, этанол на 25 % заменит бензин, сейчас его доля в топливе для автомобилей составляет до 10 %. Из валового сбора кукурузы на производство этанола может быть направлено 25 % урожая. При использовании высококрахмалистых сортов кукурузы (при 70 % крахмала в зерне) из 1 т получают 0,38 т биоэтанола.

По экологическим соображениям и для замены нефтепродуктов производство и потребление этанола растет во многих странах мира. В 2005 г. оно составило около 45 млн м³, из них в США и Бразилии – по 36 %, в Азии – 15, в ЕС-б, в прочих – 7 %. Прогноз на 2010 г. составляет 90 млн м³, т. е. удвоение производства, из них ожидается в СШЛ -40 %, в Бразилии – 28, в Азии – 17, в ЕС – 9 %, в Африке – 1 % и в остальных– 5 %.

7.2.10. Национальные программы по производству и использованию биоэтанола

Национальные программы по производству и использованию биоэтанола действуют во многих странах. В 2005 г. производство этанола составило (млн т): в Китае – 3,8, в Индии – 1,7, во Франции – 0,9, в России – 0,75, в Германии – 0,43, в ЮАР – 0,39, в Великобритании – 0,35, в Испании – 0,3.

Бензин и этанол – мировые перспективы.[7-18]. Основные потребители биоэтанола и производители этанолового топлива.

Топливный этанол потребляется нефтеперерабатывающими и нефтехимическими предприятиями, занимающимися производством и реализацией автомобильного топлива в Европе.

Промышленные потребители этанола используют его в качестве сырья в следующих целях: 1. Производство этилового тетрабутилового эфира (ЭТБЭ) и дальнейшее смешивание добавки с бензиновым топливом. 2. Производство топливной смеси с 5-процентным содержанием этанола (Е-5). 3. Производство этанолового топлива с 85процентной концентрацией этанола (Е-85).

Большая часть этанола (90 %) потребляется нефтеперерабатывающими заводами, приспособленными под производство ЭТБЭ. В последние годы в связи с улучшением налогового режима растет интерес производителей к производству Е-5, однако объемы производства и реализации пока несущественны во всех странах, кроме Швеции, а потребление Е-85 наблюдается только в Швеции.

Поставки этанола на нефтеперерабатывающие мощности осуществляются в рамках стратегических соглашений о сотрудничестве и взаимопонимании, заключаемых между крупными нефтяными концернами и производителями биоэтанола. Условия подобных соглашений о сотрудничестве и взаимопонимании являются уникальными в каждом конкретном случае.

Если проследить географию расположения заводов по производству биоэтанола и ЭТБЭ, становится ясно, что производители топливного этанола стремятся строить заводы как можно ближе к нефтеперерабатывающим мощностям. Поскольку ввиду гидроскопичности этанол не может транспортироваться по трубопроводу, транспортировка и логистика являются болезненным моментом для европейских производителей этанола.

В последние несколько лет участились случаи совместного создания нефтеперерабатывающими предприятиями и производителями этанола промышленных объектов по производству ЭТБЭ из биоэтанола. В частности, такие соглашения существуют между французской компанией Total и финской Neste Oil. В Испании подобная система отношений существует с 2004 г. между ведущим производителем этанола Abengoa и крупнейшей испанской нефтеперерабатывающей компанией Cepsa.

Этаноловое топливо с 85-процентной концентрацией этанола (Е-85).

Производством и реализацией Е-85 в Швеции занимаются три крупнейших нефтяных концерна: OK-Q8, Preem и Statoil.

OK-Q8 представляет собой крупнейшую дистрибьюторскую сеть автомобильного топлива Швеции. Е-85 продается конечным потребителям на 176 из 308 АЗС компании. По собственным данным компании, в январе 2006 г. месячный объем реализации Е-85 составил 6,87 млн л, а за сентябрь 2006 г. – уже 16 млн. л.

Preem Petroleum AB – крупная нефтеперерабатывающая компания, на которую приходится около 75 % объемов нефтепереработки в Швеции и около 25 % – в Норвегии. В 1996–1997 гг. Preem приобрела нефтеперерабатывающий бизнес компании Jet's. Примерно половина продукции Preem Petroleum экспортируется по всему миру.

Компания располагает также двумя нефтеперерабатывающими заводами в Финляндии в Готенборге (Gothenburg) и Лисекиле (Lysekil), а также 500 АЗС на территории стран ЕС. За 9 месяцев 2006 г., по собственным данным Preem, на принадлежащих ей АЗС в Швеции было реализовано 580 млн литров Е-85.

Statoil – норвежская нефтедобывающая и нефтеперерабатывающая компания. По собственным данным компании, Statoil не производит ЭТБЭ и бензиновые смеси с содержанием этанола на собственных мощностях, однако достаточно активно занимается дистрибьюцией топливного этанола и смесей через свою заправочную сеть.

Этиловый тетра-бутиловый эфир (ЭТБЭ).

Этил-трет-бутиловый эфир (ЭТБЭ) – бесцветная, прозрачная, подвижная, легковоспламеняющаяся жидкость с эфирным запахом.

Практически не растворим в воде, но образует с ней азеотропную смесь. Смешивается со многими органическими растворителями, в том числе с алифатическими и ароматическими углеводородами, этанолом, метанолом, диэтиловым эфиром, хлороформом, четыреххлористым углеродом.

Рис. 7-17. Структурная формула Этил-тетра-бутилового эфира.

M_r 102.18; bp 73 °C; mp -97 °C; d 0.742 g/cm³; nd²⁰ 1.3756;

Крупнейшим производителем ЭТБЭ в ЕС является французская компания Total. Total – фактически единственный производитель ЭТБЭ во Франции и основной промышленный потребитель этанола во Франции.

Переработка этанола осуществляется на трех заводах компании в Дюнкерке, Фезине и Гонфревилле. Впервые производство ЭТБЭ было начато компанией в Фезине в 1993 г. Несколько позже Total заключила соглашение с Французской Национальной Ассоциацией производителей пшеницы и Французской Конфедерацией производителей сахарной свеклы о создании двух совместных компаний, которые займутся созданием и управлением линий по переработке этанола в ЭТБЭ на базе нефтеперерабатывающих мощностей Total в Дюнкерке и Гавре.

По данным компании Total, в 2004 г. совокупный объем производства ЭТБЭ на трех ее заводах составил 190 тыс. метрических т. Поставки этанола на перерабатывающие мощности Total осуществляют преимущественно французские компании Tereos, Cristal Union и SLS.

В конце 2005 г. компании Total и финская нефтеперерабатывающая компания Neste Oil подписали соглашение о взаимопонимании, которое касается перспектив сотрудничества в рамках проекта строительства во Франции нового завода по производству биотоплива (как биоэтанола, так и биодизельного топлива) первого и второго поколения. Neste Oil удалось собственными силами разработать и протестировать уникальную (на сегодняшний день) технологию производства биотоплива из древесных отходов.

Хотя подробности сделки не разглашаются, очевидно, что Neste Oil предоставит для проекта, прежде всего, свои технологии, а Total обеспечит сбыт готового топлива.

Немецкая нефтеперерабатывающая компания PCK Schwedt является одним из основных потребителей этанола как на внутреннем рынке Германии, так и в международной торговле этанолом. В 2004 г. объем производства ЭТБЭ компании PCK Schwedt составил 80 тыс. метрических тонн (информация компании). До введения в 2005 г. в эксплуатацию новых мощностей в Германии PCK Schwedt импортировала большую часть этанола из других стран ЕС.

Капитал PCK Schwedt практически поделен между компаниями Agip, Total, Shell и BP через цепь дочерних компаний Ruhr Gmbh (акционер BP), Shell Deut-schland Oil Gmbh и AET-Raffineriebeteili-gungsgesellschaft (акционеры Agip, Total и ENI). PCK Schwedt ежегодно перерабатывает около 10,5 млн т сырой нефти, большая часть которой импортируется из России.

Австрийская компания OMV AG является лидером в области нефте– и газодобычи и переработки в странах Центральной Европы. OMV AG принадлежат 35 % в капитале Borealis A/S, 10 % – в Hungarian MOL Group, 51 % – в Petrom SA, которая является лидером на рынке Румынии, 45 % – в Bayernoil Raffineriege-sellschaft mbh и пр. OMV AG представляет собой диверсифицированную в географическом и продуктовом аспекте холдинговую группу.

Фактически группа OMV AG контролирует нефтедобычу и нефтепереработку в Венгрии, Румынии, а также в Словакии. Дочерней компании Petrom SA принадлежит контрольный пакет в словацкой компании Slovnafta MOL.

Neste Oil – финская нефтеперерабатывающая компания, располагающая двумя заводами в Финляндии в Пурву и Наантали, а также одним заводом в Португалии в Синесе. ЭТБЭ производится компанией в Пурву и Синесе.

Совокупная производственная мощность завода в Пурву составляет 9,8 млн т условного топлива, линии по производству ЭТБЭ – 112 тыс. т в год. Производство ЭТБЭ было начато Neste Oil в Пурву в 2004 г.

Завод в Португалии был построен в 1992 г. для производства МТБЭ, а в начале 2005 г. был адаптирован для производства ЭТБЭ. Годовая мощность линии по производству ЭТБЭ – 50 тыс. т.

По сведениям Национального доклада Финляндии за 2005 г., Neste Oil импортирует этанол, в основном, из Бразилии, переработка этанола в ЭТБЭ и смешивание ЭТБЭ с бензиновым топливом осуществляются в Финляндии. Конечный продукт затем вновь экспортируется, причем большая часть приходится на страны Скандинавии и Балтии.

Крупным потребителем топливного этанола в Европе является американская химическая компания Lyondell. Штаб-квартира Европейского подразделения находится в Роттердаме, Нидерланды. Компания располагает производственными мощностями во Франции (Фосс-сюр-Мер, Гавр, Понт-де-Кле), в Нидерландах (Ботлек, Маасвлакте), в Великобритании (Стеллинборо), однако оценить хоть сколько-нибудь точно объемы производства ЭТБЭ и величину спроса на топливный этанол не представляется возможным, т. к. Lyondell, являясь одним из крупнейших химических концернов мира, имеет огромную продуктовую линейку и предъявляет спрос на этанол не только для производства обогащающих добавок к бензину, но и для производства иных химических товаров.

В Испании основным производителем ЭТБЭ является компания Cepsa, которой, как уже упоминалось выше, принадлежит совместно с Abengoa Energia завод по производству ЭТБЭ ETBE Huelva. В 2004 г. на заводе было произведено 22,5 млн. литров ЭТБЭ, в 2005 г. – 43,5 млн литров.

Cepsa принадлежит также еще один нефтеперерабатывающий завод в Сан-Роке (Кадис), на котором производственная линия, предназначенная для производства МТБЭ, была перепрофилирована на производство ЭТБЭ еще в 2002 г. Таким образом, Cepsa располагает двумя заводами, снабжение обоих этанолом осуществляет Abengoa Energia.

В рамках группы Cepsa управление мощностями в Кадисе и Уэльве осуществляет компания Petrocepsa.

В Литве, по данным национальных докладов за 2004 и 2005 гг., нефтеперерабатывающая компания AB Mazeiku Nafta в 2004–2005 гг. переоборудовала свои мощности для производства ЭТБЭ, однако объемы производства совсем невелики. Кроме того, на литовском рынке AB Mazeiku Nafta сталкивается с конкуренцией со стороны Neste Oil и других скандинавских компаний.

Снабжение компании этанолом осуществляет завод компаний AB Stumbras – Biofuture в Силюте, а также экспортеры из других стран ЕС.

Mazeiku Nafta была частично приватизирована в 1998 г. В сентябре 2002 г. 53,7 % компании приобрела компания Yukos Finance B.V. – дочернее предприятие российской нефтедобывающей компании "Юкос", 40,66 % акций являются государственной собственностью и управляются Министерством экономики Литвы.

Интересно отметить, что в Великобритании единственным дистрибутором автомобильного топлива с содержанием этанола (до 5 %) является корпорация Tesco – одна из крупнейших сетей розничной торговли в мире. Топливо типа Е-5 продается на 185 АЗС, принадлежащих Tesco и расположенных на юго-востоке и северо-западе Англии. Торговая марка топлива – Tesco 99 Octane. Однако, Tesco не является производителем этанолосодержащего топлива. Снабжение АЗС компании осуществляет Greenergy Fuels Ltd, 25 % капитала которой принадлежат Tesco.

Greenergy Fuels Ltd занимается нефтепереработкой, и на компанию приходится около 50 % британского рынка биотоплива и около 6,5 % рынка автомобильного топлива. Помимо производства смесей Е-5 Greenergy Fuels активно работает на рынке биодизельного топлива.

Некоторые объемы производства ЭТБЭ имеют и крупнейшие европейские нефтедобывающие и нефтеперерабатывающие компании BP, Shell, Conoco и американская ExxonMobil, однако, в отличие от Total, эти компании достаточно скромно оценивают перспективы развития рынка биотоплива. В своих стратегических планах все крупнейшие нефтяные компании Европы определили биотопливо как один из будущих приоритетов, а BP даже предполагает инвестировать около 500 млн евро в течение ближайших 10 лет в создание научно-исследовательского института, который будет заниматься разработкой био-технологий в области энергетики, и около 8 млрд евро в собственное подразделение, связанное с биотопливом, – BP Alternative Energy. На практике в настоящее время компании ограничиваются участием в капитале специализированных предприятий по производству ЭТБЭ или временными проектами.

PS. Финская компания St1 Oy объявила о покупке норвежской и шведской сетей АЗС, принадлежащих норвежскому концерну StatoilHydro. Как заявил директор-распорядитель компании St1, данная сделка поможет продвижению в этом регионе проекта по биоэтанолу. Компания ппроизводит этанол из отходов пищевой промышленности и намерена продавать его на своих станциях в Норвегии и Швеции. В самой Финляндии у St1 имеется 400 АЗС и три завода по производству топлива Refuel RE85, состоящего на 80…85 % из биоэтанола. Аналогичные заводы St1 намерена построить и в Швеции.

7.2.12.Прогноз развития рынка биоэтанола в Китае [7-19]

Первые партии биоэтанола в Китае были выпущены в конце 2003 г. За три года Китай сумел войти в четверку крупнейших производителей топливного этанола в мире.

В 2007 г. объем производства биоэтанола в Китае достиг максимального показателя. Совокупный среднегодовой темп роста (CAGR) объемов производства биоэтанола в Китае с 2003 г. по 2007 г. составил 124,2 %. Доля Китая в мировом объеме производства биоэтанола в 2007 г. составила 3,7 %.

В 2007 г. в Китае насчитывалось шесть производителей биоэтанола. Компания Jilin Fuel Ethanol Co. является крупнейшим производителем биоэтанола в Китае. В Китае биоэтанол производят из пшеницы, риса, маниоки и сахарного сорго.

Китай планирует приложить еще большие усилия в развитие возобновляемой энергетики и сократить эмиссию парниковых газов, чтобы поддержать жизнеспособный экономический рост в ближайшие годы.

Согласно Национальной Комиссии Развития и Реформ (НКРР), необходимо инвестировать более 2 триллионов юаней, или 10 процентов валового национального продукта, чтобы достичь поставленной цели по возобновляемой энергии к 2020 году. Среднесрочной и долгосрочной целью страны является развитие индустрии возобновляемой энергии, которая станет играть важную роль в обеспечении развития экономического будущего страны.

НКРР планирует поднять долю возобновляемой энергии в общем потреблении энергии до 10 % к 2010 году и 15 % к 2020 году, по сравнению с 8 % в настоящее время. В настоящее время, уголь составляет ежегодно 70 % общего энергопотребления Китая, оставляя большой потенциал для развития гидроэлектроэнергии, метана, гелио-, ветроэнергетики и других чистых и возобновляемых источников энергии.

Тем временем Китай продолжит развивать ликвидное биологическое топливо согласно предварительному условию по обеспечению безопасности продовольствия. Китай не будет поощрять использование зерна как сырья для биотоплива, но обратится к непродовольственным зерновым культурам, типа батата и

сорго обыкновенного, для производства ликвидного биологического топлива, включая этанол и биодизель. Большинство таких непродовольственных зерновых культур растет на солончаке и бесплодных землях, которые являются неподходящими для того, чтобы выращивать зерно.

В 2006 г. Национальная Комиссия Развития и Реформ Китая опубликовала 5-летний план, в котором была установлена цель – увеличить ежегодное производство этанола до 6 млрд. литров к 2010 г.

Правительство Китая, опасаясь увеличения цен на зерновые, не утвердило план.

Аналитики прогнозируют увеличение до 2016 г. производства этанола в Китае, в основном из кукурузы, до 3,5 млрд. литров. Это в 2,5 раз превышает показатель 2008 г. За аналогичный период потребление кукурузы этаноловой отраслью возрастет в 2,6 раза. Кроме того Китай может еще увеличить производство этанола на 1,5–2,0 млрд. литров, используя маниоку, сорго, рис и другое сырьё.

Согласно оптимистическому прогнозу, совокупный среднегодовой темп роста (CAGR) объема рынка биоэтанола в Китае с 2008 г. по 2020 г. составит 10,6 %.

Согласно пессимистическому прогнозу, совокупный среднегодовой темп роста (CAGR) объема рынка биоэтанола в Китае с 2008 г. по 2020 г. составит 8,5 %.

В обоих сценариях внутренне потребление биоэтанола будет полностью обеспечиваться собственным производством.

7.3. Биометанол [7-20]

Рис. 7-18. Объемные формулы метанола

Метанол – CH₃OH, простейший одноатомный спирт, бесцветная ядовитая жидкость. Метанол – это первый представитель гомологического ряда одноатомных спиртов. С воздухом в объёмных концентрациях 6,72–36,5 % образует взрывоопасные смеси. [7-20].

Формула: CH4O Плотность:791,80 кг/м³

Температура кипения: 65 °C

Молярная масса: 32,04 г/моль

Температура плавления: -98 °C

Классификация: Спирты

Метанол является другим видом спиртового топлива, которое получается из биомассы или угля. Однако в настоящее время метанол производится преимущественно из природного газа и ограниченно используется в качестве топлива для демонстрационных и спортивных целей. Считается, что метанол не обладает всеми экологическими преимуществами, свойственными этанолу? [7-13]

Лауреат Нобелевской премии, датский профессор Ола предлагает получать метанол через газификацию отходов сельского хозяйства и получаемый синтез-газ конвертировать в биометанол.

Тезисы программы Датской ассоциации метанола по переориентации энергетической базы экономики страны на метанол как энергоноситель:

Метанол представляется как идеальный энергоноситель по совокупности свойств, начиная с легкости его производства из любого энергосырья (ископаемого, био и/или их сочетаний), легкости и безопасности хранения и транспортировки, и кончая простотой и дешевизной конвертации непосредственно в топливо;

• Важным преимуществом метанола называется его экологическая чистота во всей цепи от производства до использования;

• Отмечается, что природный газ является самым экономичным и широко применяемым сырьем для производства метанола, однако подчеркивается что технологии газификации биомасс в генераторный газ также являются в настоящее время промышленно зрелыми, а разработка технологий производства метанола из улавливаемого из труб ТЭЦ и др. предприятий CO₂ и электроэнергии приближается к промышленной реализации, в частности, в Исландии;

• Упоминается, что на рынке уже предлагаются технологии производства ДМЭ как из метанола, так и непосредственно из генераторного газа, и что ДМЭ является идеальным топливом для дизельных двигателей;

• Приводятся результаты расчетов о том, что запасов биомассы в Дании теоретически достаточно для замены всего потребляемого в стране бензина и солярки метанолом и ДМЭ;

• Приводится пример Исландско-Американской компании, которая, используя дешевую исландскую геотермальную и гидроэнергию для производства метанола и ДМЭ из утилизируемой CO₂, является прибыльной уже при продаже своего топлива по 50 долл./баррель;

• Приводятся данные о том, что предприятие по переработке лесных отходов в метанол в объеме 100000 т метанола в год, работающее в Швеции, начинает приносить доход при рыночной цене метанола (в солярочном эквиваленте) меньшей, чем цена солярки на шведских заправках;

• Отмечается, что переориентация энергетической базы экономики на метанол позволяет эффективно сглаживать естественные пики и падения в предложении/ спросе на энергию;

• Подчеркивается, что, несмотря на то что прямое сжигание биомассы и нейтрально в отношении СО₂, это чрезвычайно вредно с точки зрения выбросов токсичных продуктов, тогда как использование биомассы как топлива через метанол практически безвредно. [7-21].

Компания ОК, являющаяся одним из ведущих топливных дистрибьюторов Дании и оператором 670 из 2000 автозаправочных станций страны, собирается построить в стране ряд станций заправки метанолом, чтобы поддержать демонстрацию метанолэлектрических автомобилей QBEAK.

Рис. 7-19. Заправка авто метанолом. Дания 2013 г.[7-21].

Датское правительство заявило, что оно хотело бы поэтапно отказаться от ископаемого топлива к 2050 году. Являясь одним из крупнейших дистрибьюторов ископаемого топлива, компания ОК намерена поддержать решение более чистой заправки, которое позволяет использовать существующую сеть станций. Распределение метанола позволяет модифицировать существующие системы заправки жидким топливом, не заменяя их полностью и не вводя каких-либо дополнений, в которых нуждается газообразный водород.

ОК рассматривает биометанол как неископаемое жидкое топливо, и компания была членом проекта метанол-электрических автомобилей EcoMotion, в результате которого был создан новый грузовик на топливных элементах для садоводства. ОК построит станцию заправки метанолом на базе традиционной станции в сотрудничестве с HAMAG, производителем станций, и Serenergy, производителем топливных элементов, устанавливаемых внутри транспортных средств Ecomove QBEAK. [7-22].

7.3.1. Получение метанола из водорослей

В основе этой технологии лежит производство биомассы водорослей, их сбраживание до метана и каталитическая конверсия последнего в метанол.

Основными доводами в пользу использования микроскопических водорослей являются следующие:

• высокая продуктивность фитопланктона (до 100 т/га в год);

• в производстве не используются ни плодородные почвы, ни пресная вода;

• процесс не конкурирует с сельскохозяйственным производством;

• энергоотдача процесса достигает 14 на стадии получения метана и 7 на стадии получения метанола;

С точки зрения получения энергии данная биосистема имеет существенные экономические преимущества по сравнению с другими способами преобразования солнечной энергии.

7.4. Биобутанол [7-23]

Рис. 7-20. Фигурные формулы бутанола

Бутиловый спирт (н-бутанол) C₄H₉OH – Бесцветная вязковатая жидкость с характерным запахом сивушного масла. Смешивается с органическими растворителями. В отличие от метанола, этанола и пропанола только умеренно растворяется в воде – 7,6 г на 100 г воды. С ней образует азеотроп содержащий 42,5 % по массе бутанола и кипящий при 97,7 °C.

Представитель одноатомных спиртов. Известны нормальный первичный бутиловый спирт СН₃(СН₂)₃ОН и его изомеры: нормальный вторичный бутиловый спирт СН₃СН₂СН(ОН)СН₃, изобутиловый спирт (СН₃)₂СНСН₂ОН, третбутиловый спирт (триметилкарбинол) (СН₃)₃СОН. Ядовит. [7-23].

Бутанол биологического происхождения является первичным спиртом. Основные преимущества бутанола по сравнению с этанолом:

• бутанол содержит на 25 % больше энергии, чем этанол;

• бутанол безопаснее в использовании, поскольку в шесть раз меньше испаряется, чем этанол, и в 13,5 раз менее летуч, чем бензин;

• бутанол – гораздо менее агрессивное вещество, чем этанол, поэтому может транспортироваться по существующим топливным трубопроводам, тогда как этанол должен транспортироваться железнодорожным или водным транспортом;

• благодаря низкому давлению паров, биобутанол легко смешивается с обычным бензином;

• биобутанол может добавляться в более высоких концентрациях, чем биоэтанол, при использовании в стандартных автомобильных двигателях без их переделки.

В настоящее время биобутанол может добавляться в бензин в концентрации до 10 % в Европе и до 11,5 % в США без переделки двигателя.

Он хорошо подходит для современных транспортных средств и двигателей.

В смеси биобутанол может использоваться в более высоких концентрациях, чем этанол, не требуя при этом специально адаптированных транспортных средств. В будущем имеется потенциал для увеличения максимально допустимого использования биобутанола в бензине до 16 % по объему.

В присутствии воды смесь, содержащая биобутанол, не расслаивается, в отличие от смеси «этанол-бензин», что позволяет использовать существующую инфраструктуру дистрибуции без модификации установок для смешивания, хранилищ или заправок.

Как ожидается, в отличие от существующих биотоплив, биобутанол потенциально может быть транспортирован по трубопроводам, то есть он может быстро добавлен к бензину, и это позволит избежать потребности в дополнительной крупномасштабной инфраструктуре поставки.

Бутанол выделяет чистой энергии на рабочий цикл больше, чем этанол или метанол, и примерно на 10 % больше, чем бензин.

В связи с получением новых высокоэкономичных технологий производства биобутанола, в настоящее время получаемый из зерна бутанол привлекает все большее внимание специалистов для применения его в качестве топлива. И не исключено, что в ближайшие 10–15 лет этанол утратит пальму первенства.

Успех обусловливается рядом преимуществ бутанола перед этанолом, среди них: 1. Бутанол содержит на 25 % больше энергии, чем этанол: 6116.5 kkal/l бутанола против 4670.8 kkal/l этанола. Бензин же содержит около 6394.5 kkal/l; 2. Бутанол безопаснее в использовании, поскольку в шесть раз меньше испаряется, чем этанол и в 13,5 раз менее летуч, чем бензин. Упругость паров бутанола по Рейду составляет 0.023g/cm², у бензина это 0.316 g/cm², у этанола – 0.14g/cm². Это делает бутанол более безопасным при использовании в качестве оксигената и не требует особых изменений пропорций смеси при использовании зимой и летом. Сейчас он используется в качестве оксигената в штатах Аризона, Калифорния и др.; 3. Бутанол – гораздо менее агрессивное вещество, чем этанол, поэтому может транспортироваться по существующим топливным трубопроводам, тогда как этанол должен транспортироваться железнодорожным или водным транспортом; 4. Бутанол можно смешивать с бензином; 5. Бутанол может полностью заменять бензин, тогда как этанол может использоваться только как добавка к бензину с максимальным содержанием в смеси не более 85 % и только после существенных переделок двигателя. В настоящее время в мире преобладают смеси с 10 %-ным содержанием этанола; 6. Производство бутанола помогает решить проблемы, связанные с инфраструктурой снабжения водородом; 7. Измененный бутанол имеет более высокий выход энергии (10 Вт-ч/г), чем этанол (8 Вт-ч/г); 8. При горении бутанол не производит окислов серы или азота, что дает существенную дополнительную выгоду с точки зрения экологии.

Рис. 7-21. Общий вид ацетоно-бутилового завода (г. Нальчик)[7 24].

Бутанол начал производиться в 10-х годах XX века с использованием бактерии Clostridia acetobutylicum. Сырьём для производства являются сахаро– и крахмалосодержащие продукты растениеводства: сахарный тростник, свекла, кукуруза, пшеница, маниока, а в будущем и целлюлоза.

При ацетонобутиловом брожении из 1 т картофеля можно получить 25 м³ водорода, 340 кг бутанола и 110 кг ацетона, то есть с 1 га картофельных плантаций – 875 м³ водорода, 12 т бутанола и 4 т ацетона, а из 1 т стеблей сорго – 30 м³ водорода, 114 кг бутанола и 40 кг ацетона, или с 1 га плантаций сахарного сорго – 900 м³ водорода, 3.4 т бутанола и 1.2 т ацетона.[25]. В СССР до конца 70-х годов XX столетия в эксплуатации находилось 4 ацетонобутиловых завода: в городах Грозном, Нальчике, Талица (Свердловской области) и Ефремов (Тульской области). К концу 90-х годов остались Грозненский и Ефремовский заводы.

Ефремовский завод производил до 50 т растворителей (бутанол/ацетон/ этанол = 13/4/1) и до 29 тыс. м³ водорода в сутки, или 15 тыс. т растворителей и до 8.7 млн. м³ водорода в год, а Грозненский завод – 74 т растворителей и 43 тыс. м³ водорода в сутки, или до 22 тыс. т растворителей и 12.9 млн. м³ водорода в год [7-25]

Однако, сегодняшняя ситуация на рынке углеводородного сырья заставляет многие компании задуматься о восстановлении утраченных технологий.

В 50-х годах из-за падения цен на нефть бутанол начал производиться из нефтепродуктов.

В США ежегодно производится около 1.39 млрд. литров бутанола.

Две крупнейшие транснациональные корпорации мира – DuPont и British Petrole-um (BP) – объявили об успехе своего трехлетнего сотрудничества над проектом создания нового вида биотоплива – биобутанола. Осуществление проекта началось в 2003 году. В результате в конце 2007 года биобутанол начал производиться и продаваться в Великобритании. Производство в Британии будет налажено совместно с British Sugar. Для этого будет перепрофилирована фабрика по ферментации биопродуктов в этанол для производства биобутанола. Биобутанол по своей сути то же самое, что и биоэтанол, но только более калорийный и менее затратный при производстве. К тому же само производство биобутанола с технической точки зрения значительно проще, чем классического этанола. [7-26].

7.4.1. Экологические Преимущества

В настоящее время компании DuPont и BP проводят детальные расчеты для биобутанола по эмиссионным характеристикам в рамках программ GHG Well-to-Wheel/ Life Cycle Analysis. Предварительные данные говорят о том, что при использовании одинакового сырья биобутанол дает уменьшение эмиссии, по меньшей мере, на том же уровне, что и этанол.

Низкое давление паров биобутанола (ниже, чем у бензина) означает то, что характеристики давления паров не должны приводить к появлению высоких уровней эмиссии ЛОС (т. е. нет необходимости ослаблять давление паров).

Преимущества для сельского хозяйства:

• Биобутанол получают из тех же типов сельскохозяйственного сырья, что и биоэтанол (т. е. из кукурузы, пшеницы и сахарной свеклы/тростника).

• Биобутанол может стать хорошим продуктом для фермеров во всем мире, поскольку он создает новые возможности на рынке для основных продуктов сельского хозяйства, что, таким образом может привести к увеличению нормы прибыли для фермеров.

• Облегчая добавление биотоплив к бензину, либо непосредственно в качестве биобутанола, либо косвенно через синергию биобутанола и этанола, использование биобутанола может привести к расширению рынка биотоплив, а также рынков соответствующих сельскохозяйственных продуктов, что таким образом приведет к увеличению нормы прибыли для фермеров.

Биобутанол также улучшает показатели этаноловых смесей за счет того, что он имеет низкое давление насыщенного пара, что снимает одну из проблем, сдерживающую широкое применение этанола в рамках существующих каналов дистрибуции бензина.

Первоначально производство биобутанола будет базироваться на существующей технологии, что позволит вывести его на рынок в кратчайшие сроки. На втором этапе, будет задействован биотехнологический процесс, разработка которого уже идет, обеспечивающий более высокую степень переработки. Производство сможет работать на широком спектре сырья, таком, как сахарный тростник или сахарная свекла, кукуруза, пшеница, маниока и, в будущем – на целлюлозном сырье из быстрорастущих «энергетических культур», таких как травы, или побочных агропродуктов, таких как солома или кукурузные стебли. Биобутанол обеспечит значительные экологические преимущества по сравнению с топливом на нефтяной основе, включая более низкий уровень выбросов парниковых газов в окружающую среду. [7-27].

Сегодня бутанол используется, прежде всего, в качестве промышленного растворителя. Мировой рынок этого продукта оценивается в 350 млн. галлонов в год, из которых 220 млн. галлонов в год приходится на долю США.

Бутанол в качестве моторного топлива.

Биобутанол более экономичен, чем смесь этанола с бензином, он улучшает топливную эффективность автомобиля и увеличивает пробег на единицу расходуемого топлива.

В начале 21 века профессор Университета штата Иллинойс Hans Blaschek получил новый штамм бактерии Clostridium. В 2004 году Clostridium beijerinkii был выбран Министерством энергетики США для генного картирования. Работа проводилась в Объединенном институте геномов в Калифорнии.

В 2006 г., используя запатентованный им генетически измененный микроорганизм Clostridium beijerinkii, профессор Hans Blaschek успешно преобразовал кукурузу в бутанол. Для инициации процесса ферментации профессор использовал полученную им карту генома микроорганизма. В дальнейшем, используя результаты анализа генома, он планирует вывести второе, еще более эффективное поколение микроорганизма Clostridium beijerinkii.

Кроме того, профессор Hans Blaschek разработал основы технологии получения бутанола путем извлечения из газа. При этом бутанол будет недорогим и без загрязнений, возможных при использовании технологий, основанных на применении мембран.

В планах ученого – масштабировать ферментационный процесс получения бутанола с помощью существующего штамма Clostridium beijerinkii, подобрать эффективное зерновое сырье и тип зерновых волокон для производства бутанола, а также создать второе поколение микроорганизмов.

Чуть позже, объединив в процессе два очередных, новых штамма бактерий и предъявив ряд инженерных решений, компания Environmental Energy заявила о создании полноценной технологии получения биобутанола. Компании был выдан патент США № 5 753 474 «Непрерывный двухступенчатый анаэробный ферментационный процесс получения бутанола и других органических растворителей с использованием двух различных штаммов бактерий. Патент описывает технологию, которая позволяет надеяться на получение эффективного и экономически рентабельного бутанола. Использование компанией сдвоенных биореакторов с иммобилизованными клетками непрерывного действия увеличивает выход бутанола до 13.38 л на 18 кг зерна плюс дополнительных 0.27 кг водорода в качестве побочного продукта.

Оптимизация процесса АБЭ ферментации и получение бутанола посредством масляной кислоты, преобразованной из углеводов, позволило существенно увеличить выход, объемную производительность и концентрацию бутанола. Использование компанией Environmental Energy иммобилизированных культур Clostridium tyrobutyricum и Clostridium acetobutylicum позволяет получить оптимальную производительность бутанола 4,64 г/л/ч и выход 42 % от веса глюкозы, или 13.38 л на 18 кг зерна (15.9 кг крахмала/ лактозы/ сахара) против 5.9 л по сравнению с обычным АБЭ процессом.

Кроме того, новая технология связана с производством побочного водорода, который также является альтернативным топливом. Принимая во внимание попутное производство водорода, новая технология позволяет получить из 18 кг зерна на 42 % больше энергии, чем производится в ходе обычного получения этанола – 25 % этой разницы дает бутанол и 18 % – водород. Важно понимать, что даже в отсутствие технической базы для применения водорода в качестве альтернативного источника энергии – он является ценным химическим продуктом, востребованным во многих подотраслях химической промышленности.

Environmental Energy намерена наладить производство биобутанола для рынка растворителей, а в дальнейшем продавать его как альтернативное топливо.

Таблица. 7-1

Энергетические характеристики бензина и первичных спиртов

7.4.2.Энергетическое содержимое биобутанола и эффект экономии топлива

Бутанол выделяет при сгорании 36 MJ/кг (15,500 BTU/lb). Это может быть выражено объемным способом как 29,2 MJ/литр (104,800 BTU/амер. галлон).

Переключив бензиновый двигатель на бутанол, как результат, можно получить увеличение потребления топлива около 10 %, но бутанольный эффект для пройденного автомобилем расстояния должен быть дополнительно определен научным анализом. Энергетическая плотность для любой смеси бензина и бутанола может быть вычислена, тестирование других спиртовых топлив продемонстрировало, что эффект в экономии топлива не пропорционален изменению энергетической плотности.[28].[

7.4.3.Октановое число бутанола

Октановое число бутанола подобно тому же числу для бензина, но ниже, чем для этанола и метанола. Бутанол имеет RON (Octane number by the Research method или Исследовательское Октановое Число – ИОЧ и) 96 и MON – motor octane number-или МОЧ – моторное октановое число) 78, тогда как трет-бутанол имеет октановое число 105 RON и 89 MON. [7] Трет-бутанол используется как добавка в бензин, но не может быть использован как топливо в чистом виде, поскольку его точка плавления – 25,5 °C. Другими словами, когда холодно, трет-бутанол превращается в гель. [8]Топливо с более высоким октановым числом менее склонно к детонации (чрезвычайно быстрому самовозгоранию от сжатием) и управляющая система любого современного двигателя может иметь преимущество, если перед этим отрегулировать синхронизацию зажигания. Это улучшит энергетическую эффективность, ведущую к лучшей экономии топлива. Увеличивая коэффициент сжатия, увеличивается экономия топлива, мощность и вращающий момент. И наоборот, топливо с более низким октановым числом более склонное к детонации и уменьшит эффективность, поскольку детонация может нанести ущерб мотору.

7.4.4. Воздушно-топливный коэффициент бутанола

Спиртовое топливо, включая бутанол и этанол, частично окислено и следовательно нужно работать с более богатыми смесями, чем бензин. Стандартные бензиновые двигатели в автомобилях могут регулировать воздушно-топливный коэффициент, соответственно изменяя топливо, но только в определенных пределах в зависимости от модели. Если предел двигателя превышен, то работая на чистом бутаноле или бензиновой смеси с высоким процентом бутанола, двигатель работает на бедной смеси, что может повредить его. По сравнению с этанолом, бутанол может быть смешан с бензином с более высоким коэффициентом для использования в существующих автомобилях без необходимости в переделке, поскольку воздушно-топливный коэффициент и энергетическое содержимое – ближе к тому же самому бензину. [7-28]

7.4.5. Специфическая энергия

Спиртовое топливо имеет меньше энергии на единицу веса и объема, чем бензин, но в то же самое время требует более богатой смеси. Чтобы сравнить чистую энергию произведенную за цикл иногда используется мера названная специфической энергией топлива. Она определена как произведенная энергия на воздушно-топливный коэффициент. Чистая энергия произведенная за цикл более высокая для бутанола, чем этанола или метанола и приблизительно на 10 % выше, чем для бензина.

Таблица 7-2

Вязкость бензина, дизельного топлива и первичных спиртов

Название Кинематическая вязкость при 20 °C

Бутанол 3.64 cSt

Этанол 1.52 «

Метанол 0.64 «

Бензин 0.4–0.8 «

Дизель >3 «

Вода 1.0 «

Вязкость спиртов увеличивается с увеличением длины углеродной цепи. По этой причине, бутанол используют как альтернативу для коротких спиртов, – когда желателен более вязкий растворитель. Кинематическая вязкость бутанола в несколько раз выше, чем у бензин и почти такая же, как у высококачественного дизельного топлива.[7-28]

Тепло парообразования бутанола.

Топливо в двигателе должно быть испарено прежде, чем сгорит. Недостаточное парообразование является известной проблемой со спиртовым топливом при холодной погоде. Так как латентное тепло парообразования бутанола – меньше, чем половина того же самого для этанола, то двигатель, работающий на бутаноле, должен легче запуститься при холодной погоде, чем, работая на этаноле или метаноле.[7-28]

7.4.6. Потенциальные проблемы с использованием бутанольного топлива

Потенциальные проблемы с использованием бутанола подобны этанолу:

• Для того, чтобы соответствовать характеристикам горения бензина, использование бутанольного топлива как заменителя бензина требует увеличения топливо-потока.

• Топлива на основе спирта – не совместимы с некоторыми компонентами топливных систем.

• Спиртовое топливо может вызвать ошибочное газовое считывание измерителя в машины с уровнем топлива емкости gauging.

• Вязкость бутанола значительно выше, чем у бензина или этанола, что может иметь отрицательные эффекты в топливной системе.

7.4.7.Возможные бутанольные смеси топлива

Стандарты для стыковки этанола и метанола в бензине существуют во многих странах, включая EU, США и Бразилию. Приблизительные эквиваленты бутанольной смеси могут быть вычислены из отношений между стохометрическим топливом-воздушным коэффициентом бутанола, этанола и бензина. Смеси этанольного топлива с бензином к настоящему времени продаются с дипазоном от 5 % до 20 %. Доля бутанола может быть больше на 60 %, чем эквивалентное содержание этанола, которое имеет дипазон от 8 % до 32 %. «Эквивалент» в этом случае отмечает только способность машин к регулировке топлива. Другие свойства бутанола, как например, энергетическая плотность, вязкость и теплота парообразования может изменить предельный процент бутанола в топливной смеси с бензином.

В присутствии воды смесь, содержащая биобутанол, в меньшей степени склонна к расслоению, чем смеси этанола/бензина, и потому это позволяет использовать существующую инфраструктуру дистрибуции, не требуя модификаций установок для смешивания, хранилищ или заправок.

Как ожидается, в отличие от существующих биотоплив, биобутанол потенциально может быть транспортирован по трубопроводам; т. е. он может быть быстро добавлен к бензину, и это позволит избежать потребности в дополнительной крупномасштабной инфраструктуре поставки.

Биобутанол также улучшает показатели этаноловых смесей за счет того, что помимо прочего, он имеет низкое давление насыщенного пара, что снимает одну из проблем, сдерживающую широкое применение этанола в рамках существующих каналов дистрибуции бензина. [27].

7.5. Диметиловый эфир [7-29]

Диметиловый эфир (C₂H₆O) (метиловый эфир, метоксиметан, древесный эфир) Н₃С-О-СН₃ – широко применяемый на практике простой эфир.

Бесцветный газ с характерным запахом, химически инертный

Температура плавления – (-138,5)°C

Температура кипения – (-24,9)°C

Плотность при нормальных условиях – 2,1098 кг/м³ (в 1,63 раза тяжелее воздуха)

Плотность в жидкой фазе – 0,668 г/см³

Критическая температура – +127,0 °C

Критическое давление – 53 атм

Критическая плотность – 0,272 г/см³

Растворимость в воде – 3700 мл/100 мл при 18 °C

Растворим в метиловом и этиловом спирте, толуоле

Диметиловый эфир (ДМЭ) – C₂H₆O.

Рис. 7-22. Объемная формула ДМЭ.

Может производиться из угля, природного газа, из биомассы. Большое количество диметилового эфира производится из отходов целлюлозобумажного производства. Сжижается при небольшом давлении.

Диметиловый эфир – экологически чистое топливо без содержания серы, содержание оксидов азота в выхлопных газах на 90 % меньше, чем у бензина. Применение диметилового эфира не требует специальных фильтров, но необходима переделка систем питания (установка газобалонного оборудования, корректировка смесеобразования) и зажигания двигателя. Без переделки возможно применение на автомобилях с LPG-двигателями при 30 % содержании в топливе.

В июле 2006 года Национальная Комиссия Развития и Реформ (NDRC) (Китай) приняла стандарт использования диметилового эфира в качестве топлива. Китайское правительство будет поддерживать развитие диметилового эфира, как возможную альтернативу дизельному топливу.

В ближайшие 5 лет Китай планирует производить 5-10 млн тонн диметилового эфира в год.

Департамент транспорта и связи Москвы подготовил проект постановления городского правительства «О расширении применения диметилового эфира и других альтернативных видов моторного топлива».

Автомобили с двигателями, работающими на диметиловом эфире разрабатывают KAMAZ, Volvo, Nissan и китайская компания SAIC Motor.

Существует несколько способов получения диметилового эфира. Первый – при давлении 1 – 3 МПа и температуре 800 – 900 °C из синтез-газа получают диметиловый эфир, метанол и метилформиат. Второй способ – получение диметилового эфира из метанола. Именно так поступают в Германии и Японии. В Японии и США построены пилотные установки – мощностью 5 и 4 тонны в сутки. Из синтез-газа ДМЭ получают NKK (Япония) и Haldor Topsoe (Дания). На «Новомосковском Азоте» и ОАО «Щекиноазот» диметиловый эфир производят из метанола, но такой метод с технико-экономической точки зрения не совсем целесообразен, так как цены на природный газ будут неизбежно повышаться.

Диметиловый эфир имеет определенные технологические преимущества перед сжиженным природным газом. По своим физическим свойствам это вещество очень схоже с СУГ (сжиженный углеродный газ) и может являться его заменителем в качестве моторного топлива, топлива для газовых турбин, в коммунальном хозяйстве и быту (приготовление пищи). В сравнении с СПГ он имеет существенно более высокую температуру сжижения (– 24,5 °C), что позволяет хранить ДМЭ в тех же резервуарах, что и СУГ. При его правильном сгорании не образуется сажа, а только вода и углекислый газ. Теплотворная способность ДМЭ (28,4 МДж/кг) только немного ниже низшей удельной теплоты сгорания природного газа. Кроме того, ДМЭ используется для производства аэрозольных красок и в парфюмерной промышленности, т. к. является отличным растворителем и пропеллентом одновременно, и при этом практически полностью разлагается при попадании в атмосферу (не является парниковым газом, в отличие от метана).

Особенность производства ДМЭ и других синтетических жидких углеводородов (СЖУ) (метанол, продукты синтеза Фишера-Тропша и т. д.) на данный момент – это необходимость утилизировать значительные объемы так называемых хвостовых газов, получаемых в процессе синтеза, и перегретого пара высокого давления. Их утилизация возможна в энергоемком процессе производства СПГ, поэтому производство ДМЭ должно хорошо уживаться с производством сжиженного природного газа и/или производством электроэнергии.

Стоит отметить, что что технологические схемы производства СЖУ, основанные на производстве синтезгаза (смесь угарного газа и водорода), в паровых риформерах и последующей конверсии его в жидкие углеводороды позволяют утилизировать углекислый газ из отходных газов турбин газовых компрессоров производства СПГ. Для этого часть пара, подаваемого в риформер, заменяется на CO₂ (СН4 + СО₂ -> 2СО+2Н₂). Добавление углекислого газа в процесс риформинга позволяет достичь оптимального соотношения CO/H₂ в производимом синтез-газе, близкого к 2, что увеличивает выход СЖУ при последующем синтезе.

7.5.1.Организация концерна «Volvo Group» [7-30]

Взгляд концерна «Volvo Group» на будущее топливо:

• Природный газ и биогаз будет использоваться регионально;

• ДМЭ имеет перспективу на широкое использование в будущем: Максимальная эффективность переработки и использования энергии «от скважины до колёс» из биологического источника.

• CO₂ является нейтральным, когда ДМЭ производится из биомассы.

ДМЭ в настоящее время промышленно производится дегидратацией метанола в объеме около 150 тыс. тонн в год, и используется главным образом в качестве пропеллента в косметической промышленности. В небольших количествах уже сегодня ДМЭ применяется как дизельное топливо и как топливо для бытовых нужд (вместо СНГ).

[31].

Диметиловый эфир имеет хороший потенциал использоваться в будущем как топливо для электростанций (производства электроэнергии), для автомобиля на топливной ячейке и как промежуточный продукт для синтеза ценных химических веществ и в том числе бензина. ДМЭ можно получать из «бедного» синтез-газа, содержащего до 50 % азота. Такой синтез ДМЭ осуществлен на медьцинк-хромалюминиевом и медьцинкалюминиевом катализаторах при 260–280 °C и 5-10 МПа.

Volvo Trucks активно использует биодиметилэфир!

Рис. 7-23. Трелер Voivo Truck на ДМЭ.[7-32]

Volvo Trucks активно начала использовать биодиметилэфир (ДМЭ) как моторное топливо. Компания Preem, деятельность которой связано с поставками топлива, 7 сентября 2010 г. открыла новую автозаправочную станцию ДМЭ в Стокгольме.

На сегодняшний день первые пять грузовиков с ДМЭ-двигателями компании Volvo уже готовы к эксплуатации на дорогах Швеции. Биодиметил-эфир это разновидность биотоплива, которое производит на 95 % меньше вредных выбросов диоксида углерода по сравнению с привычным дизельным топливом. Для того чтобы у нового топлива были шансы стать конкурентоспособным на рынке, необходимо его отлаженное производство, сеть распределения и адаптация транспортных средств.

Экспериментальный завод компании Chemrec в Питео может производить не более четырех тонн био-ДМЭ в день. Эксплуатационные испытания будут проводиться в течение нескольких лет, цель которых – показать возможности для крупномасштабных инвестиций в производство ДМЭ из биомассы и выявить недостатки нового топлива.

Производство био-ДМЭ будет размещено на заводе компании Chemrec. Volvo Group является одним из владельцев компании Chemrec через свое дочернее предприятие Volvo Technology Transfer. Уже осенью компания Preem открывает дополнительные заправочные станции в Йончопинге, Питео, и Гётеборге.

7.5.2.Важное преимущество ДМЭ

Важное преимущество ДМЭ – это возможность поставлять его в контейнерах, баллонах и цистернах прямо от производителя или с приемного терминала конечным потребителям на заправки и в личные (домашние) коммунальные хозяйства. При этом снижаются затраты на распределение. Возможна транспортировка ДМЭ в контейнерах и лихтерах (судами-контейнеровозами/ лихтеровозами) непосредственно с места отгрузки. При этом контейнеры/лихтеры могут загружаться на судно как уже в заполненном виде (заправленными), так и заполняться непосредственно на судне через специальный распределительный манифольд. Таким образом, ДМЭ – это не только новая транспортная технология, но и готовый продукт для потребителей (бутилированный ДМЭ). ДМЭ имеет высокое цетановое число, что позволяет использовать его в качестве эффективного дизельного топлива.

Возможности химического синтеза альтернативных топлив в настоящее время активно ведутся во многих мировых центрах (США, Японии, Дании, Австрии) а также и в России. Некоторые такие разработки производства синтетических топлив уже находятся в стадии реализации.

Учитывая свойства ДМЭ, современная наука считает его мостом к водородной энергетике третьего тысячелетия.

7.6. Биодизель [7-33]

Биодизель – биотопливо на основе растительных или животных жиров (масел), а также продуктов их этерификации.

7.6.1.Технология производства

Рис. 7-24. Образец биодизеля [7-33].

Растительное масло переэтерифицируется метанолом, реже этанолом или изопропиловым спиртом (приблизительно в пропорции на 1 т масла 200 кг метанола + гидроксид калия или натрия) при температуре 60 °C и нормальном давлении.

Для получения качественного продукта необходимо выдержать ряд требований:

После прохождения реакции переэтерификации содержание метиловых эфиров должно быть выше 96 %.

Для быстрой и полной переэтерификации метанол берется с избытком, поэтому метиловые эфиры необходимо очистить от него.

Использовать метиловые эфиры в качестве топлива для дизельной техники без предварительной очистки от продуктов омыления недопустимо. Мыло засорит фильтр и образует нагар, смолы в камере сгорания. При этом сепарации и центрифугирования недостаточно. Для очистки необходима вода или сорбент.

Заключительный этап – сушка метиловых эфиров жирных кислот. Так как вода приводит к развитию микроорганизмов в биодизеле и способствует образованию свободных жирных кислот, вызывающих коррозию металлических деталей.

Хранить биодизель более 3 месяцев не рекомендуется – разлагается.

Применение.

Применяется на автотранспорте в чистом виде и в виде различных смесей с диельным топливом. В США смесь дизельного топлива с биодизелем обозначатся буквой B; цифра при букве означает процентное содержание биодизеля. В2 – 2 % биодизеля, 98 % дизельного топлива. В100 – 100 % биодизеля.

Применение смесей не требует внесения изменений в двигатель.

Цетановое число.

Для минерального дизтоплива 42–45,

Для биодизеля (метиловый эфир) не менее 51.

7.6.2. Сырьё для производства

Сырьём для производства биодизеля служат жирные, реже – эфирные масла различных растений или водорослей. Европа – рапс; США – соя; Канада – канола (разновидность рапса); Индонезия, Филиппины – пальмовое масло; Филиппины – кокосовое масло; Индия – ятрофа, (Jatropha); Африка – соя, ятрофа; Бразилия – касторовое масло.

Рис. 7-25. Блок-схема производства биодизеля [7-34].

Также применяется отработанное растительное масло, животные жиры, рыбий жир и т. д.

Таблица. 7-3

Производство масла из различного сырья с одного гектара земли в год

Таблица. 7-4

Производство биодизеля

Биодизель – топливо будущего.

В зависимости от сырья используется определенная технология производства биодизеля.[7-36].

Возможно применение для производства биодизеля следующих видов сырья: растительное масло (рапсовое, подсолнечное, пальмовое, соевое и пр.); животный жир; водоросли; резина и пластмасса. Получается биодизель, как правило, из растительного масла или водорослей и, поэтому, является долгоживущим источником энергии. Биодизель из рапса (биотопливо из рапса) – достаточно широко используется в настоящее время в Европе.

Рис. 7-25. Производство биодизеля на Заводе Урбудмаш. Биодизельный реактор кавитатор. [7-35].

7.6.3. Биодизель из водорослей [7-37]

Более перспективным источником сырья считаются водоросли.

Представитель компании, производящей биогорючее, подсчитал, что если заменить все дизельное топливо, используемое в США, на биотопливо из водорослей, то потребуется засеять зеленым сырьем всего 0,5 % сельскохозяйственных земель штатов, чтобы получить нужное количество биодизеля. Для производства биодизеля нужны водоросли, содержащие большое количество масла. Эти водоросли можно выращивать как в обычных водоемах (в обычных прудах), так и в специальных биореакторах. Биореакторы занимают маленькую площадь и из них удобнее выбирать водоросли для получения биодизеля.

Помимо этого, от всех других разновидностей растительного сырья водоросли отличаются тем, что потребляют они не специально приготовленные удобрения, а CO₂. При этом водоросли настолько «любят» углекислоту, что набирают свой вес в несколько раз быстрее, именно, на этом питании. Если к тому же тину выдерживать в загрязненной воде, ее объем ежедневно будет возрастать вдвое.

Один из вариантов получения дизельного горючего из водорослей задуман в США. Для производства биодизеля водоросли поглощают углекислый газ и солнечный свет. Установка SolarConverter внешне напоминает солнечную батарею; между пластинами заключен водный раствор, в котором распологаются водоросли. Система не требует сельскохозяйственных угодий и больших посевных площадей. Первый завод по производству биодизельного горючего из водорослей планируют запустить в 2011 году.

Второй вариант предполагает установку, состоящую из большого числа прозрачных стеклянных труб. В них и живут простейшие водные растения. Для быстрого роста необходим свет, углекислый газ, корм и поддержание определённой температуры. Корм включает в себя особый состав химических составляющих и микроэлементов. Для того чтобы снабдить водоросли теплом и углекислым газом, применяется дизельгенератор, работающий на том же биодизеле. Урожай с биореактора собирается через несколько часов, ведь микроорганизмы – самые быстроразмножающиеся растения. При хорошем уходе их масса увеличивается вдвое всего за 40 часов. Из каждой порции продукта, добывается растительный жир, из которого и производится биодизель.

Водоросли применяются специальные – масленичные, с содержанием жира до 80 процентов.

Биодизель может применяться в простых двигателях внутреннего сгорания без изменения их конструкции. Возможно использование биодизеля как самостоятельного вида горючего, так и в смеси с обычным (минеральным) дизельным топливом.

Есть данные, что немецкие и французские компании, выпускающие автомобили, уже выпускают ряд моделей машин, специально приспособленных под смесь биодизеля и традиционного горючего или для использования чистого биодизеля, возможно концерн Audi решится использовать эту технологию в своей новой разработке гибридной Audi А8.[7-38].

В планах Евросоюза довести получение альтернативного горючего к 2015 – до 15 процентов.

VertiGro (Vertical Growth) – экспериментальная установка по производству из водорослей растительного масла, которое затем может стать сырьем для биотоплива, – вышла на этап производства и коммерческого тестирования.

Рис. 7-26. VertiGro (Vertical Growth) – экспериментальная установка по производству из водорослей растительного масла [7-39].

Благодаря тому, что водные растения не нуждаются в прочном стебле и корнях и могут впитывать питательные вещества всей своей поверхностью водоросли способны намного быстрее наращивать биомассу, чем любые сухопутные растения. Как рассказал директор компании Valcent Products Глен Керц, используемый компанией вид одноклеточных водорослей является самым быстрорастущим растением на планете и отличается чрезвычайно высоким массовым содержанием растительного масла – до 50 %. [7– 39].

Компания спроектировала и построила в г. Эль-Пасо, штат Техас, биореактор вертикальной конструкции, которая позволяет осветить максимальный объем водорослей. Дело в том, что в обычном водоеме поверхностные водоросли закрывают лучи солнца находящимся в глубине, в результате свет проникает в толщу растительной массы лишь на 4 см. В процессе разработки биореактора компания также столкнулась с проблемами испарения воды и появления водорослей-сорняков. «На одном акре земельных угодий можно вырастить кукурузу, которой хватит на производство около 18 галлонов горючего в год», – говорит Глен Керц. – «Акр пальмовой плантации даст пальмовое масло для производства 700–800 галлонов биотоплива в год, а ферма на основе биореакторов VertiGro за год произведет липидное сырье для изготовления до 20 тыс. галлонов топлива». Более того, свойства жиров можно варьировать изменением состава культуральной среды в зависимости от того, какой вид горючего планируется производить.

В 2004 году около 80 % европейского биодизеля было произведено из рапсового масла, при этом примерно треть урожая рапса в 2004 года было использовано именно для производства биотоплива.

В странах Евросоюза биодизель начал производиться в 1992 году. К концу первой половины 2008 года в странах Евросоюза было построено 214 заводов по производству биодизеля суммарной мощностью 16 млн тонн биодизеля в год[7-31].

В США на октябрь 2004 года установленные мощности составляли примерно 567 млн. литров в год (150 млн. галлонов). В середине 2008 года в США работали 149 заводов суммарной мощностью примерно 7,669 млрд. литров в год (2029 млн. галлонов). Строилось 10 заводов суммарной мощностью примерно 808,9 млн литров в год (214 млн галлонов).

В Канаде в конце 2006 года работали 4 завода суммарной мощностью примерно 196,5 млн. литров год (52 млн. галлонов).

Стандарты.

Для биодизеля Европейской организацией стандартов разработан стандарт EN14214. Кроме него существуют стандарты EN590 (или

EN590:2000) и DIN 51606. Первый описывает физические свойства всех видов дизельного топлива, реализуемого в ЕС, Исландии, Норвегии и Швейцарии. Этот стандарт допускает содержание 5 % биодизеля в минеральном дизеле; в некоторых странах (например, во Франции) все дизтопливо содержит 5 % биодизеля. DIN 51606 – германский стандарт, разработанный с учетом совместимости с двигателями почти всех ведущих автопроизводителей, поэтому он является самым строгим. Большинство видов биодизеля, производимых для коммерческих целей на Западе, соответствует ему или даже превосходит.

7.6.4.Экологические аспекты применения и производства. Применение

Биодизель, как показали опыты, при попадании в воду не причиняет вреда растениям и животным. Кроме того, он подвергается практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99 % биодизеля, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озёр.

Сокращение выбросов CO₂. При сгорании биодизеля выделяется ровно такое же количество углекислого газа, которое было потреблено из атмосферы растением, являющимся исходным сырьём для производства масла, за весь период его жизни. Биодизель в сравнении с обычным дизельным топливом почти не содержит серы. Это хорошо с точки зрения экологии.

Высокая температура воспламенения. Точка воспламенения для биодизеля превышает 100 °C, что позволяет назвать биотопливо относительно безопасным веществом.

7.6.5.Производство

Под производство сырья для биодизеля отчуждаются большие земельные площади, на которых нередко используют повышенные дозы средств защиты растений. Это приводит к биодеградации грунтов и снижению качества почв.

С другой стороны, жмых, получаемый в процессе производства растительного масла, используется в качестве корма для скота, что позволяет более полно утилизировать биомассу растения.

Производство биодизеля позволяет ввести в оборот не используемые с/х земли, создать новые рабочие места в сельском хозяйстве, машиностроении, строительстве и т. д. Например, в России с 1995 г. по 2005 г. посевные площади сократились на 25,06 млн. гектаров. США на свободных землях ежегодно могут выращивать 1,3 млрд. тонн биомассы.

При производстве биодизеля в результате реакции этерификации получается смесь, которой дают отстояться. Легкие верхние фракции продукта и являются рапсовым метилэфиром, или биодизельным топливом. Нижние фракции являются так называемой глицериновой фазой, которую часто неправильно называют глицерином. На самом деле до чистого глицерина её ещё нужно «довести», без чего её хранение и утилизация представляют серьёзную проблему из-за повышенной щелочности и содержания метанола. Те же проблемы возникают при использовании для этерификации этанола. Впрочем, биодизель на этаноле производить менее выгодно из-за большей плотности.

Достоинства.

Хорошие смазочные характеристики. Минеральное дизтопливо при устранении из него сернистых соединений теряет свои смазочные способности. Биодизель, несмотря на значительно меньшее содержание серы, характеризуется хорошими смазочными свойствами, что продлевает срок жизни двигателя. Это вызвано его химическим составом и содержанием в нём кислорода. Например, грузовик из Германии попал в Книгу рекордов Гиннеса, проехав более 1,25 миллиона километров на биодизельном топливе со своим оригинальным двигателем.

Более высокое Цетановое число.

Для минерального дизтоплива 42–45,

Для биодизеля (метиловый эфир) не менее 51.

Увеличение срока службы двигателя. При работе двигателя на биодизеле одновременно производится смазка его подвижных частей, в результате которой, как показывают испытания, достигается увеличение срока службы самого двигателя и топливного насоса в среднем на 60 %. Важно отметить, что нет необходимости модернизировать двигатель.

Высокая температура воспламенения. Точка воспламенения для биодизеля превышает 150 °C, что делает биогорючее сравнительно безопасным веществом.

Побочный продукт производства – глицерин, имеющий широкое применение в промышленности. Очищенный глицерин используют для производства технических моющих средств (например, мыла). После глубокой очистки получают фармакологический глицерин, тонна которого на рынке стоит порядка 1 тыс. евро. При добавлении фосфорной кислоты к глицерину можно получить фосфорные удобрения.

Недостатки.

В холодное время года необходимо подогревать топливо, идущее из топливного бака в топливный насос, или применять смеси 20 % биодизеля и 80 % солярки марки В20.

Долго не хранится (около 3 месяцев)

Действующие биодизельные программы

В разных странах действуют различные стандарты применения биодизеля:

Таблица. 7-5

Действующие различные стандарты применения биодизеля

7.6.6.Ультразвуковая переэтерификация масел в биодизель [7-40]

Ультразвуковая обработка увеличивает скорость и выход химической реакции при переэтерификации растительных масел и животных жиров в биодизель. Это позволяет изменить режим работы производственной установки с порционного на поточный, а также снизить капиталовложения и эксплуатационные затраты.

Биодизель обычно производится в периодическом реакторе с использованием тепловой и механической энергии для перемешивания. Перемешивание с применением действия ультразвуковой кавитации является одним из альтернативных методов перемешивания, позволяющим достичь лучших результатов при промышленной обработке. Ультразвуковая кавитация обеспечивает необходимую энергию активации веществ для промышленного процесса переэтерификации.

Ультрозвуковая обработка включает следующие этапы:

1. Растительное масло или животный жир перемешивается с метиловым (для метилового эфира) или этиловым спиртом (для этилового эфира) и гидроксидом или метилатом натрия или калия.

2. Данная смесь подогревается, например, до температуры от 45 до 65 °C.

3. Подогретая смесь подвергается ультразвуковой обработке в потоковом режиме.

4. Полученное биодизельное топливо отделяется от глицерина.

5. Преобразованное биодизельное топливо промывается водой.

Чаще всего, ультразвуковая обработка производится при повышенном давлении (от 1 до 3 бар, давление по манометру). При использовании ультразвуковых процессоров мощностью до 16 кВт отсутствуют любые ограничения по масштабу производства или обрабатывающей способности.

Сегодня биодизельное топливо в основном производится в периодических реакторах (порционный режим). Применение ультразвука позволяет осуществлять обработку в потоковом режиме. Ультразвуковая обработка позволяет достичь выхода биодизельного топлива свыше 99 %. Применение ультразвука уменьшает время обработки с 1–4 часов (в порционном режиме) до менее 30 сек. Еще более важно, что ультразвуковая обработка уменьшает время разделения биодизеля и глицерина с 5-10 часов до менее чем 60 минут. Ультразвуковая обработка также помогает уменьшить количество катализатора до 50 % за счет увеличения химической активности веществ посредством кавитации (см. также ультразвуковая химия). При ультразвуковой обработке количество используемого спирта также сокращается. Еще одним преимуществом данного метода является повышение уровня чистоты получаемого глицерина.

Ультразвуковая обработка является эффективным средством увеличения скорости реакции в промышленном производстве. Стоимость ультразвуковой обработки в основном составляет объем затрат на приобретение ультразвуковых приборов, энергию и энергоносители, поставляемые централизованными сетями и техническое обслуживание. Непревзойденная энергоэффективность (таблица справа) ультразвуковых приборов Hielscher позволяет снизить затраты и тем самым сделать данный процесс еще более экологичным.

7.7. Синтетический бензин

Альтернатива нефтяным моторным топливам есть: ученые разработали методы получения высококачественного моторного топлива из природного газа, угля и другого ненефтяного сырья.[41].

(По своему химическому составу нефть – смесь углеводородов (алканов и циклоалканов). Кроме того, она содержит метан и некоторые сернистые и азотистые примеси. Бензин – легкокипящая фракция нефти, содержащая короткоцепочечные углеводороды с 5–9 атомами. Это основной вид моторного топлива для легковых автомобилей и небольших самолетов. Керосины более вязкие и тяжелые, чем бензин: они состоят из углеводородов с 10–16 атомами углерода.

Керосин стал основным видом топлива для реактивных самолетов и ракетных двигателей.

Газойль – более тяжелая фракция, чем керосин. Дизельное топливо для двигателей, установленных на тепловозах, грузовиках, тракторах, содержит смесь фракций керосина и газойля. Вещества, по химическому составу похожие на бензин, керосин или дизельное топливо, вполне можно получить из углеродного сырья ненефтяного происхождения. Химики решили эту задачу еще в 1926 году, когда немецкие ученые Ф. Фишер и Г. Тропш открыли реакцию восстановления монооксида углерода (СО) при атмосферном давлении. В присутствии катализаторов можно синтезировать в зависимости от соотношения водорода и монооксида углерода в газовой смеси жидкие и даже твердые углеводороды, по химическому составу близкие к продуктам фракционирования нефти.

Смесь монооксида углерода и водорода, получившую название "синтез-газ", довольно легко получить из природного сырья: пропусканием водяного пара над углем (газификация угля) или конверсией природного газа (состоящего в основном из метана) водяным паром в присутствии металлических катализаторов. Синтез-газ образуется не только из угля и метана. Очень перспективны биотехнологические методы: термохимическая или ферментативная переработка отходов растительного сырья (биомассы) и конверсия газа, полученного путем разложения органических отходов, так называемого биогаза.

7.8. Керосин. Создание реактивного топлива из биомассы [7-42]

Керосин (англ. kerosene от греч. ????? – воск) – смеси углеводородов (от Cl₂ до Cl₅), выкипающие в интервале температур 150–250 °C, прозрачная, слегка маслянистая на ощупь, горючая жидкость, получаемая путём прямой перегонки или ректификациинефти.

7.8.1. Свойства и состав

Плотность 0,78—0,85 г/см³ (при 20 °C), вязкость 1,2–4,5 мм²/с (при 20 °C), температура вспышки 28–72 °C, теплота сгорания ок. 43 МДж/кг.

В зависимости от химического состава и способа переработки нефти, из которой получен керосин, в его состав входят:

• предельные алифатические углеводороды – 20–60 %

• нафтеновые углеводороды 20–50 %

• бициклические ароматические 5—25 %

• непредельные углеводороды – до 2 %

• примеси сернистых, азотистых или кислородных соединений.

Получение.

Получается путём перегонки или ректификациинефти, а также вторичной переработкой нефти. При необходимости подвергается гидроочистке.

Применение.

Керосин применяют как реактивное топливо, горючий компонент жидкого ракетного топлива, горючее при обжиге стеклянных и фарфоровых изделий, для бытовых нагревательных и осветительных приборов, в аппаратах для резки металлов, как растворитель(например для нанесения пестицидов), сырьё для нефтеперерабатывающей промышленности. Керосин может использоваться как заменитель зимнего и арктического дизтоплива для дизельных двигателей, однако необходимо добавить противоизносные и цетаноповышающие присадки; цетановое число керосина около 40, ГОСТ требует не менее 45. Для многотопливных двигателей (на основе дизеля) возможно применение чистого керосина и даже бензина АИ-80. Допускается добавление до 20 % керосина в летнее дизельное топливо для снижения температуры застывания, при этом не ухудшаются эксплуатационные характеристики.

7.8.2. Авиакеросин

Авиационный керосин, или авиакеросин, служит в турбовинтовых и турбореактивных двигателях летательных аппаратов не только топливом, но также хладагентом и применяется для смазывания деталей топливных систем. Поэтому он должен обладать хорошими противоизносными (характеризуют уменьшение изнашивания трущихся поверхностей в присутствии топлива) и низкотемпературными свойствами, высокой термоокислительной стабильностью и большой удельной теплотой сгорания.

7.8.3. Ракетное топливо

Керосин применяется в ракетной технике в качестве углеводородного горючего и одновременно рабочего тела гидромашин. Использование керосина в ракетных двигателях было предложено Циолковским в 1914 году. В паре с жидким кислородом используется на нижних ступенях многих РН: отечественных – «Союз», «Молния», «Зенит», «Энергия»; американских – серий «Дельта» и «Атлас». Для повышения плотности, и, тем самым, эффективности ракетной системы, топливо часто переохлаждают. В СССР в ряде случаев использовался синтетический заменитель керосина, синтин, позволявший поднять эффективность работы двигателя, разработанного под керосин, без существенных изменений в конструкции. В перспективе предполагается замена керосина на более эффективные углеводородные горючие – метан, этан, пропан и т. п.

Технический керосин.

Технический керосин используют как сырьё для пиролитического получения этилена, пропилена и ароматических углеводородов, в качестве топлива в основном при обжиге стеклянных и фарфоровых изделий, как растворитель при промывке механизмов и деталей. Деароматизированный путём глубокого гидрирования керосин (содержит не более 7 % ароматических углеводородов) – растворитель в производстве ПВХ полимеризацией в растворе.

7.9. Бензин [7-43]

Бензин – горючая смесь лёгких углеводородов с температурой кипения от 30 до 200 °C. Плотность около 0,75 г/см³. Теплотворная способность примерно 10500 ккал/кг (46 МДж/кг, 34,5 МДж/литр). Температура замерзания ниже -60 °C.

Получение.

Бензин получают путем разгонки и отбора фракций нефти, выкипающих в определенных температурных пределах; до 100 °C – бензин I сорта, до 110 °C – бензин специальный, до 130 °C – бензин II сорта, до 265 °C – керосин («метеор»), до 270 °C – керосин обыкновенный, примерно до 300 °C – производится отбор масляных фракций. Остаток считается мазутом.

7.10. Авиационное биотопливо

Biojet – топливо, получаемое из биомассы и используются вместо или в смеси с керосином для реактивных двигателей самолетов.[7-46].

В отличие от наземного транспорта и энергетики, высокоскоростная авиация не имеет реальных альтернатив для получения жидкого топлива из нефти в обозримом будущем. Это означает, что отрасль остро уязвима к усилению конкурентной борьбы за поставки нефти и волатильности цен на нефть. Соответственно, гражданские и военные покупатели авиационного топлива находятся под усиливающимся давлением включения в авиацию биотоплива в их топливные смеси… Разработка жизнеспособной цепочки поставок biojet будет способствовать интегрированию биотоплива в авиации и диверсификации поставок топлива из непродовольственных культур.

Международное энергетическое агентство (МЭА) прогнозирует, что эра дешевой нефти закончилась.

Недавний рост цен на нефть сделали топливо для реактивных двигателей очень дорогим для некоторых авиакомпаний.

Хотя вклад гражданской авиации составляет только 2 % выбросов парниковых газов, эта отрасли стремится к 2020 г. снизить эмиссию углерода и к 2050 г. сократить ее до 50 %.

И биотопливо является ключевым компонентом этой стратегии.

Многие эксперты утверждают, что массовое использование авиационного биотоплива начнется не ранее 2020 г. и это составит не более 15 % рынка.

Какова потенциальная возможность рынка?

Авиация потребляет 12 % топлива, потребляемого всей мировой транспортной отраслью, что эквивалентно, примерно, от 194 до 270 млн. т керосина авиационного топлива в год..

Аналитики проекта полагают, что авиационное биотопливо заменит примерно 1 % от «классического» керосина к 2015 году, 25 % к 2025 году, и 30 % к 2030 году.

НАСА рассчитывает на 50 % снизить объем потребления авиатоплива в рамках программы "авиации нового поколения". В 2008 году крупные коммерческие перевозчики в США потратили 75.5 млн. т авиатоплива, Минобороны – еще 4,6 миллиарда галлонов (174,4 млн. т). При средней цене примерно в 66 центов за литр это обошлось более чем в 70 миллиардов долларов. Сегодня ежегодные выбросы самолетов в США составляют более 250 млн. тонн CO₂-эквивалента.

Кроме того, 40 из 50 крупнейших аэропортов США не соответствуют требованиям Агентства по защите окружающей среды (EPA) к качеству воздуха.

Нидерландский авиаперевозчик KLM для заправки воздушных судов будет использовать новое топливо, изготовленное на основе растительного масла. Предполагается, что топливо на 50 % будет состоять из обычного керосина, а еще на 50 % – из масла. Им будут заправлять самолеты, выполняющие полеты из Парижа в Амстердам и обратно…

ВВС США провели испытания истребителя Lockheed Martin F-22 Raptor, в баки которого было добавлено биотопливо. В ходе испытаний самолет сумел преодолеть звуковой барьер, достигнув скорости в 1,5 числа Маха (1,7 тысячи километров в час. По данным ВВС США, испытания прошли полностью успешно. Программа испытаний F-22 на биотопливе включает в себя серию запуска двигателей в полете, управляемость, а также поведение самолета на разных режимах, высотах и скоростях полета. Максимальная высота полета самолета в ходе испытаний составила 12,1 тысячи метров. Во время испытания также была подтверждена возможность F-22 совершать полеты на крейсерской сверхзвуковой скорости, при которой не используется форсажная камера. В баки F-22 заливают топливную смесь из биотоплива, произведенного из рыжика, и обычного JP-8. В настоящее время ВВС США реализуют программу, направленную на сокращение потребления обычного топлива в два раза. В рамках программы все самолеты на вооружении ВВС США должны получить сертификаты на использование биотоплива к 2012 году. Испытательные полеты на биотопливной смеси выполняют и некоторые другие самолеты ВВС США. Так, испытания уже прошли штурмовик A-10 Thunderbolt II, F/A-18 Super Hornet, MH-60S Seahawk и C-17 Globemaster III. Военные рассматривают несколько вариантов создания биотоплива: из рыжика, угля и животного жира. В настоящее время испытатели склоняются к биотопливу из рыжика, поскольку это растение неприхотливо, а для его выращивания не требуются значительные финансовые вложения. Кроме того, при производстве топлива из рыжика, растительные отходы, в которых содержатся протеин и полиненасыщенные жирные кислоты Омега-3, можно использовать в качестве пищевой добавки для скота. Применение этих отходов уже одобрило министерство сельского хозяйства США.[47].

7.11. Летаем на биотопливе [7-44]

В последнее время ведущие авиастроительные компании, а также крупнейшие перевозчики стали уделять вопросам использования биотоплива на регулярных рейсах гораздо больше внимания. Летом 2011 г. был выполнен первый трансатлантический перелет на грузовом авиалайнере Boeing 747-8F, все двигатели которого работали на биокеросине. Новый самолет американского авиастроительного концерна прибыл на проходящий в Ле-Бурже Международный аэрокосмический салон, одной из основных тем которого как раз и стало использование альтернативных видов топлива. Интерес к данной теме возникает неспроста. Авиационная отрасль уже давно стремится стать более экологичной, однако технологии, связанные с использованием традиционных видов топлива, уже практически исчерпали свой потенциал. Поэтому конструкторы и авиакомпании постоянно ищут новые пути, направленные на снижение вредных выбросов в атмосферу при эксплуатации коммерческих авиалайнеров. Был открыт еще один путь для использования биотоплива в коммерческой авиации. В частности, американский комитет по стандартизации ASTM Intemational выдал официальное одобрение на коммерческое использование реактивного топлива, изготавливаемого на основе растительных масел и животных жиров. 1 июля 2011 г. ASTM внесла поправки в стандарт D7566, что формально дает возможность авиакомпаниям использовать для выполнения коммерческих рейсов гидрированное возобновляемое авиационное топливо (HRJ), которое на 50 % состоит из биологического топлива. Биодобавки для этого вида топлива могут изготавливаться из морских водорослей или из рыжиков и ятрофы. Кроме того, разрешается изготовление биологических добавок из масел животного происхождения.[7-44]. Предыдущая редакция стандарта D7566 разрешала коммерческое использование топлива, изготавливаемого из угля, природного газа или биомассы посредством процесса Фишера-Тропша. В Федеральном управлении гражданской авиации США (FAA) отмечают, что топливо HRJ по своим характеристикам ничем не отличается от традиционного авиационного керосина и подходит для повседневного использования. Первый трансатлантический перелет лайнера Boeing 747-8F был выполнен на топливе, которое на 15 % состояло из биодобавок, произведенных из рыжика. Эти растения могут выращиваться на пшеничных полях в тот период, когда они остаются пустыми. Благодаря этому удается избежать роста цен на продовольствие, несмотря на использование сельскохозяйственных полей. Кроме того отсутствует необходимость подготовки дополнительных полей, например, как в случае с культивированием пальмового масла в Юго-Восточной Азии, когда приходилось производить вырубку леса под новые поля. Еще до момента официального внесения поправок в стандарт D7566 крупнейшие авиакомпании стали выполнять регулярные рейсы с использованием биотоплива. Так, авиакомпания KLM 29 июня 2011 г. выполнила первый рейс по маршруту Амстердам – Париж на самолете Boeing 737800, двигатели которого работали на топливе, на 50 % состоящем из обычного керосина и на 50 % из биотоплива, изготовленного из отработанного кулинарного масла. Руководство авиакомпании отмечает, что KLM открыта для использования биотоплива, производимого и из других альтернативных источников. В будущем голландский перевозчик рассчитывает полностью заменить биотопливом традиционный для авиаперевозок керосин. Начиная с сентября 2011 года KLM начала выполнять регулярные рейсы из Амстердама в Париж и обратно с использованием биотоплива. Было выполнено более 200 таких перелетов между этими городами на самолетах Boeing 737–800.

Первый демонстрационный полет на биотопливе KLM выполнила еще в ноябре 2009 г. на лайнере Boeing 747–400. Тогда в качестве биологических добавок использовалось топливо из рыжиков.

По словам руководства KLM, сырье для биотоплива может быть любым, лишь бы оно отвечало основным предъявляемым критериям – существенное сокращение выбросов углекислого газа в атмосферу и минимальное воздействие на биосферу и продовольственные запасы. Немецкая авиакомпания Lufthansa пошла еще дальше, запустив шестимесячную программу регулярных рейсов по маршруту Франкфурт-на-Майне – Гамбург на самолете Airbus A321 с регистрационным номером D-AIDG, оснащенный двумя двигателями International Aero Engines V2500. Правый двигатель авиалайнера работал на топливной смеси, состоящей из керосина и биотоплива в пропорции 50/50, тогда как левый двигатель работал на традиционном керосине. Биотопливо для Lufthansa изготавливается финской компанией Neste Oil из ятрофы, рыжиков и масел животного происхождения. По информации немецкого перевозчика, в настоящее время производство биотоплива обходится в два раза дороже, чем производство обычного керосина, но использование альтернативных видов горючего – жизненная необходимость для авиации, поскольку со временем стоимость керосина, изготавливаемого из нефтепродуктов будет увеличиваться, тогда как биотопливо будет дешеветь. Основное преимущество биотоплива заключается в том, что по своим характеристикам и свойствам оно практически не отличается от обычного керосина, в результате его можно использоваться без внесения конструктивных изменений в самолеты и двигатели. По оценкам авиакомпании Lufthansa, стоимость программы испытаний составила примерно €6,6 млн, из которых €2,5 млн было оплачено Министерством экономики Германии в рамках программы FAIR, целью которой являлось исследование возможности использования биотоплива и сжиженного природного газа в авиации. Финская авиакомпания Finnair 20 июля 2011 г. выполнила свой первый полет на биотопливе по маршруту Амстердам – Хельсинки на самолете Airbus A319. Биотопливо из отработанного кулинарного масла также, как и для авиакомпании KLM, было изготовлено консорциумом SkyNRG. Мексиканская авиакомпания Interjet выполнила первый коммерческий перелет с использованием биотоплива по маршруту Мехико – Тукстла Гутиеррез на самолете Airbus A319. В качестве топлива для авиалайнера использовалась смесь, на 27 % состоящая из биокеросина на основе ятрофы и на 73 % из традиционного керосина. В общей сложности за время перелета "туда и обратно" было израсходовано 12716 литров биотоплива. Растения рода "ятрофа", которое используется для изготовления топлива для авиакомпании Interjet, выращивается непосредственно в Мексике. Собранный урожай отправляется на завод американской компании Honeywell, где на основе ятрофы производится готовый биокеросин. В ближайшее время Interjet планирует выполнить множество рейсов на биотопливе, однако запасы доступного горючего ограничены.

Мексика в будущем видит себя лидирующим поставщиком биотоплива на мировой рынок, в стране есть все необходимые условия для его промышленного производства. К 2020 г. эта латиноамериканская страна планирует производить до 700 млн литров биотоплива ежегодно, что будет соответствовать примерно 15 % внутреннего спроса на этот вид горючего. Американская биоэнергетическая фирма Solena ежедневно будет поставлять авиакомпаниям до 132 т биотоплива, которое будет изготавливаться из городских и сельскохозяйственных отходов. Все полученное топливо будет разделено между 10 перевозчиками в пропорциях, соответствующих размерам самих авиакомпаний. Полученное биотопливо будет смешиваться с авиационным керосином в пропорции 50/50, а готовая смесь будет заправляться в самолеты. В будущем планируется подписание отдельных контрактов на поставку биотоплива между указанными авиакомпаниями и фирмой Solena. В это время компания Airbus объединила свои усилия с Комиссией Евросоюза, рядом европейских перевозчиков и производителями биотоплива, чтобы разработать план действий, направленный на ежегодное производство до 2 млн тонн биотоплива для нужд авиационной отрасли к 2020 г. В рамках проекта, получившего название Bioefuel Flightpath, планируется создание первого европейского предприятия промышленного масштаба, которое займется производством биотоплива для авиационной отрасли. Авиастроительные компании Boeing и Embraer договорились о совместном финансировании исследований, целью которых является изучение возможности использования в авиации биотоплива, изготавливаемого из сахарного тростника. Дополнительные инвестиции в этот проект согласился направить банк IDB. Независимым консультантом будет выступать Всемирный фонд дикой природы. Такое повышенное внимание к альтернативным видам топлива в последнее время говорит об их востребованности авиационной отраслью.[7-60].

7.12. Первый полет на биотопливе в латинской америке [45]

Авиакомпания TAM совместно с Airbus провели первый тестовый полет на биотопливе, полученном из ятрофы.

Вылетев из международного аэропорта Galeao Antonio Carlos Jobim (Рио-де-Жанейро), А320 совершил 45-минутный полет, вернувшись в аэропорт отправления. "Airbus и TAM сделали важный шаг на пути к получению биотоплива, которое бы являлось одновременно конкурентоспособным и возобновляемым. Этот полет свидетельствовал о готовности авиационной отрасли сохранить нейтральный прирост объема вредных выбросов с 2020 года, а также сократить выбросы CO₂ на 50 % к 2050 году.

Исследования показывают, что использование в авиации биокеросина, полученного из ятрофы, вместо традиционного керосина позволит уменьшить "углеродный след" почти на 80. Тестовый полет был одобрен Европейским агентством по авиационной безопасности в Европе (EASA), а также авиационными властями Бразилии (ANAC). В рамках стратегии по защите окружающей среды Airbus разработал уникальную программу, направленную на изучение и использование альтернативных видов топлива в авиации. В феврале 2008 г. лайнер A380 совершил первый в истории гражданской авиации полет, используя в качестве топлива GTL (синтетическое топливо на основе природного газа). В октябре 2009 г. Airbus совместно с авиакомпанией Qatar Airway организовали первый коммерческий рейс, в рамках которого самолет использовал в качестве топлива смесь авиационного керосина и GTL в пропорции 50:50, сообщает пресс-служба Airbus.

7.13. Флора, продуцирующая природные углеводороды – сырье для производства моторного топлива

Ятрофа является самым эффективным источником биотоплива[7-48].

Название происходит от др. – греч. iatros – врач и trophe питание.

Естественным ареалом ятрофы является Центральная Америка, но сегодня произрастает во многих тропических и субтропических районах, в том числе в Индии, Африке и в Северной Америке. Из Карибского бассейна ятрофа распространилась в качестве ценного растения для живых изгородей в Африке и Азии португальскими торговцами.

Ятрофа (лат. Jatropha) – род семейства Молочайные. Состоит примерно из 150–175 видов суккулентов, кустарников и деревьев.[7-49].

Как и многие другие представители молочайных, ятрофа содержит соединения, которые являются весьма токсичными.

Ятрофа устойчива к засухе и вредителям, при этом её семена содержат до 40 % масла. Переработанное масло семян ятрофы может использоваться в качестве топлива в обычных дизельных двигателях, в то время как остатки могут быть обработаны в биомассу. Растение стало широко известным после того, как Голдман Сакс указал на ятрофу, как на один из лучших кандидатов для будущего производства биодизеля. Многие страны, в том числе Индия и Китай, начали широкомасштабные посадки ятрофы (900 000 гектаров на 2008 год с планами посадки на 12,8 миллиона гектаров на 2015 год). Однако, некоторые современные исследования показывают, что ятрофа не оправдывает ожиданий как источник энергии.[7-49].

Ятрофа является главным кандидатом для крупномасштабного производства биодизельного топлива.

С одного гектара ятрофы возможно вырабатывать 15 тонн биодизеля ежегодно. Бесполезный сорняк в качестве альтернативного источника энергии способен превзойти даже кукурузу.

Ятрофу можно выращивать в условиях, непригодных для сельскохозяйственных культур. Это значит, что обеспечение продовольствием развивающихся стран от этого абсолютно не пострадает.

Ятрофа – растение, естественным ареалом которого является Центральная Америка, но в настоящее время ее выращивают также в Индии, Африке и других районах

Плоды ятрофы непригодны в качестве пищи для людей и животных, но масло, которое в них содержится, является превосходным источником биотоплива.

Ятрофа действительно является достаточно неприхотливым растением.

Но, чтобы использовать ее плоды для производства биотоплива, требуются большое количество воды, удобрений и должная степень ухода при выращивании, что снижает экологическую выгоду… Но последняя требует значительно меньше воды по сравнению с сахарным тростником или кукурузой.

Планы и реальность.

Компании проявляют большой интерес к возможности смешивания биотоплива, произведенного из плодов ятрофы, с бензиновым и дизельным. Таким образом, существенно сокращается негативное воздействие на окружающую среду при их использовании. Международные авиалинии уже провели успешные испытания, в которых топливо для реактивных двигателей на 50 процентов был заменено биотопливом из ятрофы.

Также в африканских районах, где нет электричества, благодаря ятрофе может стать возможной локализованная добыча нефти с последующим запуском местных небольших электростанций. Другие эксперименты ведутся в Бразилии, Китае, Индии, Малайзии и на Филиппинах. В результате биотопливо может стать настолько же доступным и привычным для автомобилистов, как и солярка или высокооктановый бензин.

Кроме этого, несколько лет назад компания из города Ставангер (этот город считается нефтяной столицей Норвегии) получила право на культивирование ятрофы в Гане на участке земли площадью почти в два раза больше Люксембурга. Планируется, что она будет производить 20 000 баррелей нефти в день и, в конечном счете, станет вторым по величине производителем нефти в Норвегии (первое место занимает компания Statoil).[7-50].

Менеджмент инвестиционного банка G?1dman Sachs считает, что ятрофа является главным кандидатом для крупномасштабного производства биодизельного топлива.

Ятрофа – Jatrofa curcas – засухоустойчивый кустарник, семена содержат до 40 % масла, потенциал разведения – огромные пространства полузасушливых земель в Индии, Китае, Австралии, Африке (от Марокко до ЮАР).

Камелина – (рыжик, рыжей) масличная однолетняя трава Camelina sativa, может расти в засушливых местах, предгорьях, нижнегорный пояс.[7-51]. Выход масла с 1 га 490 кг (583 л).

Рис. 7-27. Растение Камелина [7-52]

Если занять под камелину 1 млн. га неудобий из МЗР – потенциальный выход биодизеля составит 0,5 млн. т.

Рыжик (лат. Camelina) – род травянистых растений семейства Капустные (Brassicaceae). Рыжики – однолетние травы, покрытые сидячими, сердцевидными листьями.

Цветки бледно– или золотисто-жёлтые, собранные в конечные кисти.

Стручки несколько вздутые, грушевидные, створки с плоским краем, гнёзда многосемянные; семена мелкие, богатые маслом, благодаря чему виды рыжика возделываются как масличные растения.

Известно около восьми видов, растущих в средиземноморской области, в Центральной Азии и в Средней Европе.

В европейской части России дико растут три вида рыжика:

Camelina alyssum (MILL.) THELL. – Рыжик льняной [syn. Camelina dentata PERS.]

Camelina microcarpa ANDRZ. EX DC. – Рыжик мелкоплодный – растёт по известковым склонам, песчаным местам и в посевах;

Camelina sativa (L.) CRANTZ – Рыжик посевной – техническая культура, возделываемая для производства рыжикового масла. Произрастает и как сорное растение, на полях и при дорогах.

Из них наиболее часто встречаются два последних. Различаются эти два вида тем, что у первого стручки немного сжаты со стороны створок, плоский край створок широкий; столбик вдвое короче стручка, тогда как у Camelina sativa столбик в 4–6 раз короче стручка.

Большинство видов рыжика – медоносы

Из семян рыжика посевного (Camelina sativa) изготавливается рыжиковое масло.

Биомасса растений может использоваться в качестве сырья при производстве биотоплива второго поколения.

Рыжиковое масло – растительное масло, получаемое из семян масличной культуры – рыжика посевного (Camelina sativa),[7-53].

Свойства.

Рыжиковое масло добывается из семян рыжика прессованием. Содержание масла в семенах 32,6—42,6 %. Выход масла при холодном прессовании составляет 18.. 20 %, при повторном горячем прессовании выходит ещё 5.7 %. Рыжиковое масло, получаемое методом холодного прессования, – золотисто-жёлтого цвета, масло повторного горячего прессования – зеленовато-коричневого или жёлтокоричневого цвета.

Рыжиковое масло отличается высоким содержанием каротиноидов (0,5–2,0 мг %), витамина Е (40—120 мг %), а также фосфолипидов (0,8 %)^[1]. Благодаря этому, неочищенное масло превосходит по стойкости к окислению другие растительные масла с высоким содержанием полиненасыщенных жирных кислот. Основная ценность рыжикового масла заключается в высоком содержании полиненасыщенных жирных кислот (ПНЖК): линоленовой (Омега-3) и линолевой (Омега-6)..

Масло также используют в производстве биодизеля, парфюмерии и косметике, пищевой промышленности, лакокрасочном производстве.

F-22 преодолел звуковой барьер на топливе из рыжика.

7.13. Биотопливо в авиации: демонстрация озабоченности [7-54]

B конце марта 2011 г. президент США Барак Обама сделал важное заявление: к 2025 г. импорт нефти должен сократиться на треть, достичь чего можно только за счет развития производства биотоплива. И хотя эта инициатива президента диктуется в первую очередь соображениями национальной безопасности и стремлением к энергетической независимости, она напрямую затрагивает сектор гражданской авиации. Обама подчеркнул, что необходимо работать над переводом на биотопливо не только военной авиации, но и коммерческих перевозчиков. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) США разработала технологию получения бензина из синтез-газа через метанол. Мощность по обработке 2000 т/сутки биомассы.[55]

Стоимость сухой биомассы – 50 долл. США/т или влажной не более 35 долл. США/т.

В качестве биомассы используется быстрорастущий тополь. При урожае 3.5 т на акр в год… Выход бензина 53 литра на тонну тополя или 185.5 л на акр в год или 213.6 л/га.

Биомассу тополя размалывают и нагревают при температуре в диапазоне 400 – 600 градусов Цельсия в точение 2 секунд с последующим быстрым охлаждением. Продукты реакции включают газы, уголь и жидкое биомасла. Последнее состоит из воды, кислорода и продуктов термического разложения целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. Биомаслосмесь более 300 веществ. Команда Джорджа Хубера в новой работе показала, что чистое сырье (сахар) может быть преобразовано в определенные компоненты бензина в один этап… При добавлении цеолит – катализатора и твердого катализатора, состоящего из алюминия и кремния, в процессе пиролиза, целлюлоза может быть напрямую преобразованы в ароматические соединения, которые составляют четверть химических компонентов, найденных в бензин

Рис. 7-28. Технологическая схема получения биобензина (газолина) из биомассы.[7-55].

При дальнейшем фракционировании жидкость может быть преобразована в бензин.

Сейчас команда разрабатывает катализаторы специально для конверсии биомассы.". "Наша цель, чтобы иметь возможность есть процесс, который может производить 50 галлонов ароматических от 1 тонны биомассы", говорит Хьюбер."." "Мы ожидаем, что эта технология будет значительно ниже, чем капитальные вложения целлюлозный этанол и синтез-газа конверсионных технологий". Доктор Д. Хубер полагает, что эта новая технология позволит получать в год из древесины до 127 млн. тонн биобензина… Опытный химический минизавод, который, возможно, в будущем заменит нефтеперерабатывающее производство.

"Благодаря этому открытию, мы можем производить сырье для химической промышленности исключительно за счет пиролиза, – говорит профессор химической инженерии Джордж Хубер (George Huber). – Мы делаем из биомассы те же молекулы, которые в настоящее время производятся из нефти, т. е. изменение производственной инфраструктуры не потребуется. Новая технология положительно повлияет на экономику, поскольку пиролитические биомасла в настоящее время есть в продаже, но в отличие от их производителей мы используем возобновляемое сырье, что снижает зависимость от нефтяных месторождений, и к тому же фермеры получат дополнительный источник дохода".

Технология основана на производстве олефинов, таких как этилен и пропилен, – "строительных блоков" многих пластмасс и смол – и ароматических соединений (в частности, бензола), которые есть в красках, пластмассах, полиуретанах. Используется двухстадийный каталитический процесс: гидрогенизация и каталитическая реакция цеолитов. Цеолит-катализатор имеет особую структуру пор и активных центров для преобразования молекул биомассы в ароматические углеводороды и олефины.

Используя новую технологию, также можно управлять выходом углерода из биомассы для обеспечения оптимального сочетания водорода и пиролитического масла с целью получения продукта высочайшего качества при минимальных затратах.

В настоящее время на территории кампуса Университета Амхерст запущен опытный завод, который производит литры химических веществ из растительной биомассы.

Литература

7-1."Добыча, запасы и потребление нефти" forex-baza.com.

7-2. Министерство энергетики США выяснило, что электромобили не станут популярными даже в 2040 году., www.eia.gov.

7-3.(The projections in the U.S. Energy Information Administration's (EIA's) Annual Energy Outlook 2013 (AEO2013)

7-4. Газета. т, 27 декабря 2013 г.

7-5.Карта-схема Крупнейших производителей биотоплива в мире.2008 г. archive.kontrakty.ua.

7–6.Этанол, Википедия – свободная энциклопедия, ru.wikipedia.org.

7-7.Производство биоэтанола в мире., www.gidra-fire.com.ua

7-8.Прогноз развития мирового рынка биоэтанола., www.cbio.ru.

7-9.Сухой процесс, KyKypy3a.,www.bioethanol.ru.

7-10. Схема производство этанола из пшеничной муки. www.google.ru.

7-11а. Топливо двойного нaзнaчения. www.vokrugsveta.ru.

7-12.БИОЭТАНОЛ, Википедия – свободная энциклопедия, ru.wikipedia.org.

7-13.Биомасса(энергия биомассы)

7-14.Гидролиз древесной целлюлозы для получения этанола., sergey-osetrov.narod.ru.

7-15.Killing Biofuels | The Resilient Earth., www.theresilientearth.com.

7-16. Гетис: Создание и продвижение сайтов в Казани., www.getis.ru.

7-17.Биоэтанол, производство биоэтанола, технология производства биоэтанола. www.agrogold.ru.

7-18.Бензин и этанол – мировые перспективы – рынок топлива,

www.samoupravlenie.ru.

7-19. Прогноз развития рынка биоэтанола в Китае., www.abercade.ru.

7-20.Метанол – Википедия., ru.wikipedia.org.

7-21. Дания рассматривает метанол как будущее топливо страны: Экономика, 7-7-22 октября 2013 www.news.day.az.

7-22..Ecomove QBEAK., news.day.az.

7-23. Биобутанол, www.bioethanol.ru

7-24. Бутанол.,

7-25. Панцхава Е.С. и др., Биогазовые технологии., МГУИЭ, М., 2008. 217 стр.

7-26. Биотоплива второго поколения., www.bioethanol.ru.

7-27. Интернет-журнал «Коммерческая биотехнология».,

www.cbio.ru.

7-28. Бутанол может быть использован как топливо в двигателе внутреннего сгорания., www.sergey-osetrov.narod.ru.

7-29. Диметиловыйэфир., ru.wikipedia.org.

7-30. Volvo – лидер по использованию альтернативного топлива в мире

www.auto60rus.com.

7-31. Прямой синтез диметилового эфира из синтез-газа и его…

gr.neftegaz.ru.

7-32. Трелер Voivo Truck на ДМЭ., www.trans-port.com.ua.

7-33. Биодизель., ru.wikipedia.org.

7-34. Блок-схема производства биодизельного топлива.,

www.biodiesel.com.ua.

7-35. Биодизельный реактор кавитатор., biodieselmach.com.

7-36. Биодизель (biodiesel)., www.shkolazhizni.ru.

7-37. Биодизель Из Водорослей – Топливо Будущего., www.rusarticles.com.

7-38. Немного об авто: Март 2011., www.shipohan.blogspot.com.

7-39. Биодизель из водорослей, VertiGro, водоросли – Биодизель… www.374.ru.

7-40. Ультразвуковая переэтерификация масел в биодизель., -46. What are aviation biofuels?., en.wikipedia.org.

7-47. Наука и техника: F-22 преодолел звуковой баwww.biodm.ru.

7-41. Академик Н. А. Платэ «Некоторые аспекты создания экологически чистых топлив XXI века»., www.autofixa.ru.

7-42. Керосин., ru.wikipedia.org.

7-43. Бензин ru.wikipedia.org.

7-44. Летаем на биотопливе.,

7-45. Первый полет на биотопливе в латинской америке., www.aex.ru.

7-46. Курьер на …,www.lenta.ru.

7-48. Энергоэффективность: польза для предприятий -

FacePla.net

www.facepla.net.

7-49. Ятрофа., ru.wikipedia.org.

7-50. Ятрофа является самым эффективным источником биотоплива. www.facepla.net.

7-51. Рыжик посевной – camelina sativa., grainboard.ru.

7-52. Analysis: Central Asian biofuel potential.,

753. Рыжиковое масло., ru.wikipedia.org.

7-54. Биотопливо в авиации: демонстрация озабоченности., www.ato.ru.

7-55. Gasoline from wood via integrated gasofication, synthesis, and mwthanol-to-gasoline technologies. www.nrel.gov.

7-56. Citroen выпускает первый автомобиль на биотопливе., auto.newsru.com.

7-57. GM создал Hummer H3 на биотопливе., www.autoblog.ru.

7-58. Внедорожники Hummer будут работать на биотопливе., www.autonavigator.ru.

7-59. Елизавета II за «зелёных»: королевский Bentley переводится на биотопливо iphone.luxurynet.ru.

7-60. Екатерина Гафыкина, аналитик ИАЦ "Кортес"., ato.ru.

Глава 8. Третье поколение биотоплив – получение биотоплива из водорослей

Получение энергии из водорослей на сегодняшний день считается «Святым Граалем» среди всех источников получения альтернативной энергии в мире. Водоросли являются третьим поколением сырья для производства биотоплива и представляют собой одну из самых интересных возможностей решения будущих энергетических проблем, в особенности транспортного топлива. В последние годы эта отрасль (Aglae power) будет быстро развивается. [8–1].

В США полагают, что к 2014 году доля биотоплива в общем потреблении может достигнуть 3 % (123 млрд литров). [8–1]

Водоросли являются первичными продуцентами органического вещества в водах Мирового океана и пресных водоемов суши, причем годовая продуктивность морских водорослей сопоставима с продуктивностью всей наземной растительности, включая сельскохозяйственные угодья. В мире насчитывается 35–40 тыс. видов водорослей.

Водоросли – постоянно возобновляемый ресурс, источник получения пищевого и кормового белка и других ценных соединений (углеводов, липидов, витаминов), поэтому во всем мире внимание специалистов приковано к проблеме искусственного разведения макроводорослей и промышленного культивирования микроскопических) Водоросли в зависимости от условий культивирования могут содержать: белков от 9 до 88 %, углеводов – от 6 до 37 % и жиров – от 4 до 85 %.[8–2].

Водоросли, и микроскопические в частности, характеризуются наиболее высоким КПД усвоения световой энергии по сравнению с другими фотосинтезирующими организмами… Продуктивность водорослей, особенно микроскопических, приближается к потенциально возможной. Так, у хлореллы в закрытых полностью автоматизированных опытных установках при искусственном освещении она составляет 100–140 г сухого вещества на 1 м2 в сутки. Это соответствует 1–1,4 т/га (в сухой массе) в сутки или 360–500 т/га в год. Средняя продуктивность микроводорослей при их массовом культивировании в установках открытого типа при естественном освещении находится в пределах 14–35 г/м2 (в сухой массе) в сутки, максимальная достигает 60 г/м2 в сутки. Если исходить из средней суточной продуктивности 20 г/м2 и продолжительности вегетационного периода 6 месяцев, среднегодовая продуктивность установок этого типа составит 72 т/га (в сухой массе) в год. Практически такой показатель (50–80 т/га в год) достигнут во многих странах в открытых культиваторах разного типа. Культивирование видов рода Spirulina позволяет получать 128 т/га белка в год. Продуктивность культуры микроводорослей на порядок выше по сравнению с продуктивностью пшеничного поля. [8–2].

Исследователям Аликантского университета в Испании удалось резко ускорить рост водорослей… Если в открытом море в естественной среде на каждый кубометр воды приходится до 300 экземпляров водорослей, каждая из которых наполовину состоит из жира, 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. Это и есть водорослевая ферма. [8–3].

Один раз в день содержимое цилиндра подвергается центрифугированию. Остаток представляет собой практически стопроцентное биотопливо. Насыщенная жирами часть этой массы преобразуется в биодизель. Один килограмм пасты из водорослей имеет энергетическую ценность в 5700 килокалорий. В сосуде объемом всего в 2 куб. м можно получить 6 кг биомассы. Причем затраты энергии на ее получение значительно меньше, чем при выращивании сои или подсолнечника, а конечный результат намного выше.

Ученые планируют не только изготовлять из водорослей горючее, но и снижать уровень двуокиси углерода, который образуется при производстве электроэнергии с использованием органических видов топлива. Планируется выбросы СО₂ и угарный газ направлять в биореакторы, наполненные водорослями. Эти газы действуют на водоросли как удобрения, способствуя их ускоренному размножению.[8–3]. Какой же вид водорослей лучше всего подходит для энергетических целей? Исследования в Регенсбургском университете в Германии показали, что одним из таких видов является Chlorella, которая способна отфильтровывать до 50 % СО₂. Однако фотосинтез происходит только при постоянном освещении. Поэтому реальнее говорить о 20 % СО₂, поглощённого из выбросов с помощью водорослей. Так, средней величины ТЭС могла бы в год производить до 20 тыс. тонн водорослей. [8–3].

8.1. Золотая" солярка из водорослей [8–4]

Различные источники утверждают о высокой рентабельности производства по получению биотоплива из микроводорослей, в частности самой перспективной считается «Botryococcus braunii». Действительно микроводоросли это самые быстрорастущие организмы на Земле, некоторые виды могут содержать до 80 % липидов. Это факт. Но, 80 % липидов могут содержать далеко не все виды микроводорослей. В нормальном состоянии содержание липидов составляет 5 – 30 % и только в состоянии стресса микроводорсли увеличивают в своем организме содержание жира. Для получения 1 килограмма сухого вещества микроводоросли растущие организмы необходимо снабдить 10 % чистого азота или в пересчете на 100 г азота или 500 – 600 грамм азотосодержащих минеральных удобрений. Так же организм водорослей состоит из углерода (он является основной составляющей) и для получения того же 1 килограмма сухого вещества необходимо 50 % углерода или в пересчете на СО₂ примерно 2,4 килограмма. Но это еще не основная часть статьи расходов. На 1 м² освещаемой поверхности можно вырастить примерно 8 грамм водорослей в перерасчете на сухой вес и это при интенсивности освещения 150 Вт на м² 18 – 20 часов.

8.2. Биотопливо и биомассы

Израильские компании также активно работают над производством более экологичного топлива, получаемого из водорослей и других видов растений.

Компания TransAlgae [8–5].

В научно-исследовательском центре Института им. Вайцмана компания Trans Algae разрабатывает и налаживает серийный выпуск генетически модифицированных водорослей, которые могут быть использованы как для производства энергии, так и в качестве корма для животных. Компания, основанная в 2008 году, утверждает, что ее технология “отделит качество жизни от зависимости от импорта нефти и от выбросов углекислого газа”.[8–5].

Компания вырастила первое поколение генетически модифицированных водорослей и основала исследовательский объект на генераторной установке, работающей на природном газе. Так как водоросли потребляют углекислый газ в объеме, в два раза превышающем их вес, любой углекислый газ, высвобождаемый при последующем сгорании выработанного из водорослей биотоплива, компенсируется за счет углекислого газа, использованного при выращивании водорослей. Таким образом, объясняет компания, скромный завод по производству водорослей может внести большой вклад в борьбу с глобальным потеплением. TransAlgae занимается в основном разведением водорослей, произрастающих в морской воде, хотя их разведение возможно и на непахотной земле рядом с морем.

Процесс добычи биотоплива порождает также еще один ценный биопродукт – биомассу, которую можно продавать в качестве концентрата с высоким содержанием белка для корма животных. TransAlgae предполагает, что ценность этого корма может быть достаточно велика, чтобы компенсировать львиную долю затрат на производство водорослей, что сделает биотопливо, добываемое из них, конкурентоспособным по своей стоимости скорее, нежели сейчас ожидается.[8–6].

Суперсовременная гидрологическая система компании Seambiotic.

Основанная в 2003 году и расположенная в Ашкелоне компания Seambiotic изначально занималась производством и продажей продукции из жирной кислоты омега-3, добываемой из морских микроводорослей, но скоро расширила сферу своей деятельности, включив в нее также производство продуктов биотоплива. Компания утверждает, что была первой в мире, сумевшей добыть галлоны биодизеля и биоэтанола из морских микроводорослей, культивируемых с использованием дымовых газов из труб.

Рис. 8–1. Производство водорослей.[8–7].

Seambiotic провела пятилетние опытные исследования в Ашкелоне, на электростанции израильской Электрической компании. В рамках этих испытаний углекислый газ из дымовых труб выкачивался прямо в открытые пруды, построенный компанией. В сотрудничестве с крупнейшим в Китае производителем электроэнергии, компания строит сейчас крупномасштабное предприятие для коммерческого выращивания водорослей в Яньтае, Китай.[8–7].

Компания также работает совместно с Rosetta Green над разработкой штаммов водорослей с улучшенными генетическими характеристиками для производства биотоплива. Кроме того, американский филиал компании Seambiotic сотрудничает с исследовательским центром “Гленн” при НАСА над оптимизацией процесса роста микроводорослей, которые будут использоваться в качестве сырья для авиационного биотоплива.

Компания Algaenesis [8–7].

Головной офис компании расположен в Иерусалиме. Algaenesis утверждает, что компания разработала технологические инновации, представляющие “смену парадигмы” в сфере разведения микроводорослей и серьезно снижающие стоимость их производства. Речь идет, в частности, о распознавании оптимальной интенсивности света, способствующей максимальному росту водорослей, и патентованной системе “распространения света”, способной накапливать весь доступный солнечный свет в дневное время с целью обеспечения оптимальной яркости. Изначально компания была ориентирована на рынок пищевых добавок с Омега-3. [8–7].

8.3. Альтернативная энергетика – биотопливо

Сегодня человечество является свидетелем новой революции в области получения из непищевого возобновляемого сырья топлив, практически не отличающихся по свойствам от традиционных и способных их заменить. Такое топливо не потребует замены или переделки двигателей, приспособленных для работы на топливе нефтяного происхождения. В качестве такого сырья выбраны водоросли. От растений, произрастающих на твердом грунте, они отличаются рядом преимуществ – высокой урожайностью, способностью развиваться в воде, а не на пахотной земле. [8–8] [8–9].

Сравнение энергонасыщенности масличных культур показывает, что удельная энергетическая ценность водорослей с 50 %-ным содержанием липидов (930 МВт» ч/га) в 15,5 раз больше, чем у самой энергонасыщенной наземной масличной культуры – китайского сального дерева (60 МВт-ч/га).

Существуют водоросли, в которых содержание триглицеридов, основы растительного масла, более половины массы. Ни одно из существующих наземных растений не в состоянии конкурировать с водорослями по эффективности фотосинтеза, лежащего в основе урожайности и по содержанию масел и, соответственно энергии в них.

Потенциал производства масла из различных культур характеризуется следующими показателями: «производительность» кукурузы составляет 172 л на гектар в год; пальмового масла 5950 л/гектар, а типичных «энергетических» водорослей – до 95000 л/га при выращивании в открытых водоемах.[8–8].

При замене дизельного топлива нефтяного на дизельное топливо, произведенное из хлопкового масла, нужно засеять всю поверхность Земли, включая водные пространства и полюса, из сои и рапса – более четверти, из пальмового масла – шестнадцатую часть, из водорослей – весьма незначительную площадь.

CO₂ был и остается самым масштабным отходом промышленности. Защита окружающей среды слишком дорого обходится промышленному потенциалу. Водоросли в производстве энергоносителей превращают углекислый газ из проблемы в фактор прибыли. CO₂ становится важнейшим ресурсом, который можно поставить на промышленную основу. Из углекислоты с фотосинтетической эффективностью 510 % при минимальных затратах воды, на земле, непригодной для использования в сельскохозяйственных целях, можно получить либо биотопливо, либо сырье для химической промышленности. [8–8].

Рис. 8–2. США. Установка, на которой их ученые исследуют возможности производства биотоплива из водорослей. [8-10].

10 преимуществ водорослей:

1. Непищевая биомасса – не представляет угрозы продовольственной безопасности. 2. Растут в 20–30 раз быстрее наземных растений (некоторые виды могут удваивать свою массу несколько раз в сутки). 3. Производят в 15-100 раз больше масла с гектара, чем альтернативные рапс, пальмовое масло, сало и др. 4. Отсутствие твердой оболочки и, практически лигнина, делает их переработку в жидкие топлива более простой и эффективной. 5. Производство и использование биотоплива не требует изменения российского законодательства, как в случае с этаном. 6. Растут в пресной, соленой воде или в промышленных стоках, где используется для их очистки. 7. Можно выращивать промышленно в биореакторах или фотореакторах с искусственным освещением, либо в открытых резервуарах на некультивируемых почвах, включая пустыни. 8. Фотореакторы встраиваются в технологические линии уже существующих промышленных предприятий (ТЭЦ, НХ, цементные заводы). 9. Уменьшают эмиссию углекислого газа (поглощают до 90 % CO₂ с выделением кислорода). 10. Являются источниками масел, протеинов, углеводородов.[8–8].

При получении биоэтанола из биосахаридов (от крахмала до лигноцеллюлозного сырья) всегда образуется углекислота в количестве (по массе), равном количеству полученного спирта. Если встроить в схему биореактор с водорослями, можно дополнительно получать биотоплива, максимально оптимизировав затраты, то же при сжигании угля и других процессов из высших жирных кислот благодаря водорослям можно получать продукты, которые на сегодняшний день производятся в нефтехимии ценой огромных затрат. Длинноцепочные линейные молекулы могут быть превращены в a-спирты, а-олефины, полиакрилаты и первичные амины – продукты с высокой добавленной стоимостью.

Актуальность получения моторных топлив из биомассы у большинства стран не вызывает сомнений. Альтернативная энергетика стала одним из первых приоритетов новой администрации США. Несмотря на глубокий экономический кризис, планируется 150 млрд. долларов в течение 10 лет на развитие альтернативной энергетики, в которой преобладающее место занимает биоэнергетика, с целью использования 20 % моторного топлива из биомассы в общем топливном балансе страны к 2017 году. Приняты и реализуются национальные (Бразилия, США, Китай, Мексика и др.) и региональных (Европейское сообщество) программ производства и использования биотоплива с целью замены на него традиционного углеводородного топлива. Лавинообразно растет количество компаний и организаций, работающих в области переработки водорослей в энергоносители (единицы в 2007 г. и более 200 сейчас). [8–8].

Россия значительно отстаем от Запада в разработке современных инновационных технологий переработки биомассы наземного происхождения. Пока это отставание не сказывается на возможностях быстрой разработки технологий производства биотоплив из водорослей. Новые технологии просты в аппаратурном оформлении и представляют собой ряд известных и отработанных в других отраслях химической и нефтехимической индустрии методов.

В России сложилась своя научная школа предлагающая технологии с лучшими показателями в сравнении с зарубежными аналогами.

Технологический прогресс производства моторных топлив из водорослей практически безотходен. Сухие отходы биомассы сохраняют все витамины и ценные вещества, поэтому могут быть использованы как подкормка в рыбоводческих и животноводческих хозяйствах. Кроме того, возможно их превращение в еще один вид энергоносителей – топливные брикеты.

При наличии финансирования технологии, доведенные до промышленного применения, могут принести в течение 2 – 2,5 лет значительный экономический эффект. Московская ТЭЦ-21 – вырабатывает в год 9,1 млрд. кВт-ч электроэнергии, полное использование выбросов CO₂ для выращивания водорослей позволит произвести жидкие энергоносители суммарной энергетической ценностью от 8 до 11,4 млрд. кВт-ч/год.

Таким образом, использование моторных топлив из водорослей может внести значительный, сопоставимый с производством электроэнергии вклад. Иными словами речь идет не об использовании смеси из «зеленого» и нефтяного топлива, а производстве точно таких же топлив, но из другого, возобновляемого сырья.[8–8].

Существует серьезная политическая и финансовая поддержка нового направления, в особенности в США, но возможно, что ведущие нефтяные и энергогенерирующие компании Shell, BP, Chevron и другие уделяют серьезное внимание новому направлению, инвестируют в его развитие, осознавая неизбежность возникновения нового сектора рынка, так как они не хотят терять контроль над рынком моторных топлив.

Согласно Акту энергетической независимости и безопасности США планируют к 2022 году достичь производства биотоплива непищевого происхождения в объеме примерно 80 млн. т/год. Принимая во внимание тенденцию роста доли биотоплив из водорослей можно полагать, что к 2022 году оно перешагнет порог 50 %, что соответствует 40 млн. т/год и составляет 43 % нынешнего потребления бензинов и дизельных топлив в России (примерно 92 млн. т/год, из них 32 млн. т/год бензина и 60 млн. т/год – дизельного топлива). [8–8].

8.4. Эйхорния

Эйхорния – самое уникальное водное тропическое растение, акклиматизированное в средних широтах с выживанием до нулевой температуры воды. Уникальность: сверхбыстрое вегетационное размножение и способность очищать воду почти от любых химических и бактериологических загрязнений. Это плавающее водное растение, надводная часть которого состоит из листьев и цветка (второе название – водный гиацинт). В воде находятся нитевидные корни, на которых находятся множество полезных микроорганизмов, в том числе бактерии метановой группы.[8-11].

Произрастает эйхорния в естественных условиях в странах с тропическим и субтропическим климатом. При создании благоприятных условий в интервале температур 16 – 32 °C растение может вегетировать в любом регионе, включая северные районы. Непременным условием вегетации растения является вода, загрязненная различными промышленными и бытовыми стоками и отходами, которые играют роль питательной среды для эйхорнии. В этих условиях растение многократно воспроизводит себя. Зеленая масса эйхорнии используется для производства биогаза, в состав которого входит до 75 % метана. Так же из эйхорнии можно производить удобрения, корм для животных и птиц, бумагу. В одной тонне эйхорнии содержится до 60 кг калия, до 21 кг азота, до 17 кг фосфора, до 26 кг протеина с высоким содержанием незаменимых аминокислот. [8-11].

Проводимые работы по использованию эйхорнии в целях очистки загрязненных вод дали результат ее прироста до 10–15 кг в сутки с одного квадратного метра поверхности биопруда, т. е. за сутки биопруд площадью 1000 м² способен производить до 15 тонн биомассы эйхорнии, причем трудоемкость обслуживания биопруда является минимальной. [8-11].

Замечательный результат эйхорния дает, перерабатывая различные органические отходы, каковыми могут быть пищевые отходы, отходы птицефабрик и животноводческих ферм, канализационные стоки, содержимое очистных сооружений и др. Расщепляя эту «пищу» эйхорния в сочетании с отходами способна производить из одной тонны биомассы до 800 м³ биогаза. [8-11].

Эйхорния обладает уникальным свойством – поразительно высокой скоростью вегетативного размножения. Одна розетка за 50 суток образовывает до 1 тыс. отпрысков, каждый из которых, в свою очередь, вновь начинает делиться. За 3 месяца одно растение превращалось в миллион, а за полгода – в триллион экземпляров! [8-11].

Из эйхорнии можно получать энергоносители, кормовые добавки и удобрения, а также при помощи специальных технологий (на основе свойств эйхорнии) имеется возможность значительно улучшить экологическую обстановку в проблемных областях нашей страны, позволят утилизировать практически все вредоносные жидкие отходы и газообразные выбросы промышленности, затратив на это гораздо меньше средств, чем при использовании ныне существующих. [8-11].

8.4.1. Получение биогаза и электроэнергии

В природе нет растения, способного конкурировать по биопродуктивности с этим древнейшим представителем высшей водной растительности. Эта биомасса может быть использована для получения различных видов биотоплива и бионефти. Перспективным вариантом переработки эйхорнии является получение из неё биогаза, а из биогаза электроэнергии и тепла. Попутно можно получить высокоценное удобрение. Энергия, заключенная в 28 куб. м биогаза, эквивалентна энергии 16,8 куб. м природного газа, 20,8 л нефти или 18,4 л дизельного топлива. [8-11].

Рис. 8–3. Схематическое изображение технологии производства биогаза и тепловой и электрической энергии их Эйхорнии.

Переброженная масса – это биоудобрения, готовые к использованию. Ниже приведены некоторые показатели:

Площадь занимаемая одним растением – 0,015 кв. м,

Вес одного растения – 0,66 кг,

Количествово биомассы с 1000 кв. м – 10 000 кг в сутки,

Количествово биогаза из 1 т биомассы = 500 куб. м,

Из 1 куб. м биогаза при сгорании получается 2 кВт электроэнергии и 2 кВт тепла,

Объём биогаза 10 т х 500 куб. м = 5000 куб. м,

Количество электроэнергии в сутки – 10000 квт и 10000 квт тепла,

Количество электроэнергии в час – 10000/ 24 часа = 417 квт/час [819].

Рис. 8–4. Использование Эйхорнии для очистки сточных вод.

8.4.2. Получение искусственной нефти из Эйхорнии

Ещё один способ получения энергии из биомассы эйхорнии – это синтез искусственной нефти. Если не вдаваться в подробности, в основе синтеза искусственной нефти – простой нагрев биомассы до 500 градусов без доступа кислорода, перегонка и конденсация полученной смеси. Синтетическая нефть по виду получается такой же, как обычная, хотя существенно отличается по химическому составу. Но куда важнее, что технически из этой искусственной, или как ещё говорят, бионефти можно вырабатывать практически все продукты, которые сегодня делают из нефти природной – различные виды моторного топлива и химикаты. [11].

Кроме выработки электрической и тепловой энергии, неотвратимым побочным, но немаловажным для сельскохозяйственного производства, результатом утилизации отходов, является:– получение биоудобрений и биокормов;

В юго-восточной Азии эйхорния служит пищевой добавкой в рационе домашней скотины. В эйхорнии очень высоко содержание протеина, каротина, витаминов А, В, С, Е. Эйхорния дает зеленую массу, в 1 т которой содержится 60 кг К, 20 кг N, 17 кг Р, 28 кг белка. – корм из эйхорнии способствует большему усвоению корма животными и птицами;

– 10 %-ная добавка зеленого корма эйхорнии к основному корму свиней способствует повышению усвоения ими основного рациона;

– сокращение нагрузки на пастбища (на 40–50 %) при выращивании эйхорнии рядом.[11]

Эйхорния совместно с хлореллой являются прекрасным полноценным кормом для промышленного животноводства. Можно выращивать животных в стойловом варианте. 1000 кв. м эйхорнии позволяют содержать 2000 овец. Исследовали растения одно-, двух– и трехмесячного возраста с целью опредления их качества в виде кормов травяных по ГОСТ 18691-88. Было установлено содержание сырого протеина от 30 до 40 %, сырой клетчатки от 8,3 до 11,4 %, что соответствует нормам 1-го класса. Растения при проверке на токсичность показали содержание ниже ПДК, что позволяет сделать вывод о возможности применения растений после соответствующей обработки в качестве корма животным, рыбам и птицам при разработке рациона их питания.

Таблица.8-1

Результаты анализов по определению качества эйхорнии

*исследования проводились на образцах, предварительно высушенных до сухого состояния – результаты анализов даны на сухое вещество.[8-11].

Эйхорния хорошо сушится, гранулируется, силосуется. В сухой массе содержится до 39 % сырого протеина, 2,7 % жира, до 183 мг/кг каротина, весь набор аминокислот и микроэлементов (кальций – 1,6–1,8 %, сера, молибден, медь, цинк, марганец, железо и др.), около 10 % пектина. [8-11].

Эйхорния еще в 1884 году был введена в культуру во Флориде. Зоны интродукции (показаны зеленым цветом), начиная с конца XIX века, распространились в южной части Северной Америки и Азии, Индонезии и Австралии, в Южной Америке и Африке…

Рис. 8–5. Зоны интродукции Эйхорнии на земном шаре.

Водоросли – это экономически эффективный способ получения горючего и разнообразного химического сырья из загрязняющих атмосферу планеты выбросов тепловых электростанций и других производств, который успешно испытывают в США.[8-12]. (Корпорация GreenFuel Technologies из Массачусетса разработала Технологию Emissions-to-Biofuels – уникальную в своей способности снижать выбросы углекислого газа с пользой в виде выработки нового топлива.[8-12].

В опытной промышленной установке, работающей в Аризоне, выброс тепловой станции превращается в биодизельное горючее.[8-12].

Южноафриканская компания De Beers Fuel Limited получила от GreenFuel Te-chnologies лицензию на технологию Emis-sions-to-Biofuels.. Сейчас там занимаются синтезом горючего из растительных масел. «…Соя даёт 48 галлонов сырья (масла) с одного акра, канола -140 галлонов, а водоросли 10 тысяч галлонов», – отмечают специалисты De Beers Fuel.

Изобрёл этот метод и основал GreenFuel Technologies Исаак Берзин (Isaac Berzin), учёный из Массачусетского технологического института (Massachusetts Institute of Technology). Он организовал эксперимент с морскими водорослями на Международной космической станции и тогда задумался об их удивительной способности к быстрому размножению с минимумом требований к среде (например, им не нужна особо чистая вода).

В 2005-м предприимчивый учёный договорился с властями Аризоны и запустил опытную станцию для выращивания водорослей. С тех пор он экспериментирует с необычными зелёными колбами, забирающими часть выбросов местной электростанции. Прошлой осенью здесь начали получать пригодные, в принципе, для продажи биодизель и этанол. Хотя пока система работает как эксперимент.

Рис. 8–6. Схема технологического цикла Emissions-to-Biofuels: 1 – дымовые газы тепловой электростанции, 2 – биореактор с водорослями, 3 – вентилятор, 4 – выход кислорода и азота, 5 – первичная сушка (стрелка, идущая обратно в реактор – рециклинг воды), 6 – биомасса, 7 – этанол, метанол, 8 – биодизель, 9 – протеиновый концентрат, 10 – другие продукты, 11 – автомобильное топливо (вроде E85). Стрелка, идущая от спиртов и биодизеля к изображению тепловой станции, означает, что их можно не только продавать автомобилистам, но использовать для выработки электричества тут же, на месте производства (иллюстрация GreenFuel Technologies).

Кэри Баллок (Cary Bullock), директор GreenFuel Technologies, утверждает, что в случае создания массовой промышленной установки такого типа можно будет получать по 200 тонн водорослей с акра свободной площади в год. Балок добавляет, что коммерческое производство продукции по фирменной технологии начнётся в 2008 году: в Аризоне, а также у партнёров компании – в Австралии и Южной Африке. Проявляют интерес к американской технологии и в Европе.

При этом массачусетские экспериментаторы утверждают, что капитальные затраты на создание такой установки низки, потребности оборудования в электричестве также невелики, и установка по выращиванию водорослей никак не влияет на работу тепловой электростанции. Мол, окупаться такая коммерческая система должна быстро.

Компании удалось решить ряд проблем, с которыми столкнулись в других лабораториях и институтах при построении сходных по принципу действия систем. Тонны водорослей отдают топливо в обмен на дым заводской трубы. [8-12]. Во многих странах учёные ведут работы по фотобиореакторам на основе водорослей.

Далее этот зелёный состав пропускают через первичную сушилку, которая отделяет воду и направляет её обратно в биореактор. Полученный высококонцентрированный раствор водорослей (здесь их концентрация в 10–30 раз выше, чем в реакторе) поступает в следующую секцию установки.

В данном случае – это система, производящая из биомассы дизельное топливо. [8-12].

Американские новаторы заявляют, что их метод позволит получать и спирты, и метан, и биодизель, и водород с синтез-газом, и просто – брикеты твёрдой биомассы для разнообразного дальнейшего использования.

Если опыты с биотопливом увенчаются успехом, это радикально изменит не только экономику, а картину мира в целом.

Синтия Уорнер удивила многих, уйдя с высокого поста в нефтяном гиганте BP в маленькую компанию, производящую биотопливо из морских водорослей. Она считает, что это «ключ к будущему земли». [8-13].

Мир явно хочет соскочить с «нефтяной иглы» и делает шаги в этом направлении. Никто не знает, когда эксперименты с биотопливом увенчаются успехом, и увенчаются ли вообще – с точки зрения экономической целесообразности. Пока биогорючее обходится дороже, чем горючее из нефти. Цель компании Sapphire Energy – производство биотоплива из морских водорослей в промышленных объемах, чтобы его покупали нефтеперерабатывающие заводы. С мелкими партиями сырья НПЗ не работают, нецелесообразно. Если калифорнийской компании удастся выйти на такие обороты, а это планируется уже в 20112012 годах – это будет прорыв, и «жизнь после нефти» перестанет быть. [8-13]

8.5. Биотопливо из водорослей – решение найдено

Солнце, ветер и геотермальные воды могут дать электричество, но для того, чтобы перемещаться в пространстве, требуется высокоэнергетичное жидкое топливо. [8-13]

«Углеводороды необходимы также в химической промышленности, и в производстве многих строительных материалов, – говорит Уорнер. – Земля быстро стала бы голой, если бы нам пришлось вернуться к строительству из дерева.

Одноклеточный организм, производящий фотосинтез, образует крохотный жировой пузырек, который позволяет ему плавать на поверхности воды. Доисторические предки этого организма были источником образования углеводородов, и по своей природе он ближе к нефти, чем зерновые, пальмы или растения рода ятрофа, из масла которых пытаются делать биодизельное топливо.[8-13].

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

В сентябре 2010 года компания, получив грант Министерства энергетики ($50 млн.) и кредит под гарантии Министерства сельского хозяйства ($54,5 млн.) начала строительство на 300 акрах опытного завода в Нью-Мексико.

Завод должен производить несколько сотен баррелей нефти в день. Если все будет хорошо, Sapphire продолжит коммерческое развитие проекта, чтобы к 2018 году производить уже десятки тысяч баррелей в день.

Срок жизни водорослей долог, а число их ошеломляюще велико.

Получение и технология биотоплива из водорослей привлекает ученых, предпринимателей и таких гигантов «нефтянки», как Exxon Mobil. Компании:

Sapphire

Место: Ла Хойя, Калифорния; фабрика в Нью-Мексико

Метод: выращивание морских водорослей в открытых водоемах, напоминающих плавательные бассейны

Algenol

Место: Бонита-Спрингс, Флорида

Достижения: в мае 2010 года создано совместное предприятие с Valero – одним из крупнейших переработчиков нефти в США; партнерство с Dow Chemical

Метод: выращивание водорослей в фотобиореакторах из дешевого пластика, напоминающих бутылки с содовой. Аналитик Марк Бюнгер называет эту технологию «очень осмысленным подходом»

Solazyme

Место: Сан-Франциско, Калифорния.

Достижения: компания № 1 в биоэнергетике в 2009–2010 годах, по версии специализированного. Biofuel’s Digest. Уже продает тысячи галлонов искусственного биотоплива военно-морским силам США

Метод: кормление сахаром водорослей, которые растут в металлических фотобиореакторах, похожих на огромные чаны, в которых варят пиво.

Synthetic Gemonics

Место: Ла Хойя, Калифорния

Достижения: в июле 2009 года один из лидеров мировой «нефтянки» Exxon Mobil объявил, что инвестирует $600 млн. в создание генетической карты водорослей. Эта работа проводится в рамках проекта «Геном человека» Крейга Вентера

Метод: исследования, которые должны дать ответ на вопрос, в чем эффективнее выращивать водоросли – в закрытых фотобиореакторах или в открытых водоемах.

Сине-зеленые водоросли могут стать настоящим золотым клондайком. Зловонные и уродливые водоросли несложно преобразовать в удобрения и биотопливо. (2010 г.)

8.6. Качественный газ из Днепра – для нас!

Качественный газ из Днепра – для нас! [8-14].

Из зловонных водорослей можно получить очень качественный энергетический продукт, калорийный и без вредных примесей – ну просто идеальное экологическое биотопливо – содержание метана – 85

Газовая установка в Кременчуге.

Технология КГУ им. Остроградского (Украина) по переработке сине-зеленых водорослей в биогаз.

1. Притопленная платформа (наподобие баржи) плывет по Днепру и откачивает верхний слой воды вместе с синезелеными водорослями. Буксир тянет платформу до станции переработки.

2. Жидкость попадает в камеру обогащения, где отфильтровывают воду и раствор сине-зеленых становится еще более насыщенным.

3. Концентрированный раствор сине-зеленых водорослей помещают в специальный бункер, где под воздействием солнечного тепла происходит процесс брожения, в результате которого образуется биогаз.

4. Когда газ собран, остатки водорослей используют как удобрение.[8-14].

Наиболее важной культурой для получения альтернативной энергии, выращиваемой на Востоке (Филиппины), является красная водоросль Eucheuma. В настоящее время на Филиппинах выращивается более 10000 т сухой массы в год по рыночной стоимости 250–700 долл. за тонну. (2010 г.) [8-15].

Рис. 8–7. водоросль Eucheuma [8-15].

Eucheuma культивируется в прибрежных лагунах и других доступных мелководьях, а также защищенных прибрежных районах и в прудах с поликультурой ханос. Размножение осуществляется с помощью черенков зрелых растений, которые в процессе развития удерживаются на месте с помощью различных трубопроводов, сетей и клетей.

В Северной Японии выращивают Undaria pinnatifida. Вначале для этого использовались поплавки, на которые оседали молодые спорофиты. В настоящее время молодые спорофиты получают в лабораториях, а затем их высаживают на плоты или горизонтальные трубы. Один плот размером 36,6 х 1,5 м может удерживать до 112,5 кг сухой массы Undaria в год. Аналогичный способ выращивания Undaria начали применять в Северном Китае.

На Тайване в солоноватых прудах в качестве поликультуры с крабами, креветками и ханосом выращивают Gracilaria, Gelidium и Monostroma, наиболее важной из которых является Gracilaria. В Японии Monostroma выращивают и поставляют на рынок совместно с Porphyra. Gloiopeltis в Японии выращивают на размещенных в воде валунах или бетонных блоках, к твердой поверхности которых прикрепляются спорофиты. Gaulerpa выращивают в Японии в прудах поликультуры в основном таким же образом, как и Gracilaria на Тайване.

Внимание заслуживают два необычных эксперимента, один из которых был выполнен советскими учеными. Цель эксперимента состояла в выращивании крупной бурой водоросли Phyllogigas с двустворчатыми моллюсками в районе Антарктики [8-15].

8.7. Водоросль и решение глобальных проблем

Крошечная морская водоросль, которая может служить топливом для автомобилей, кормом для скота и к тому же она существенно снижает загрязнение окружающей среды. Слишком хорошо, чтобы быть правдой.

В университете Австралийского Северного Клинсвенда ученые сделали открытие, которое со временем может оказать существенное воздействие на несколько видов индустрии.

Сама водоросль не нуждается в особых условиях, чистая морская вода и свет – этого ей вполне достаточно, чтобы расти и развиваться. Она к тому же высасывает углекислый газ – этого требуют молекулы хлорофилла, из которых она состоит по большей части. Но, кроме того, она способна превратить углекислый газ в гораздо более полезные ресурсы – в сахариды, протеины и даже масло.

Водоросль чрезвычайно быстро размножается, она способна увеличить массу вдвое за каждые 48 часов. Поскольку в ней довольно высокое содержание масел, ее можно использовать в качестве сырья даже для изготовления пластика и биотоплива. А из отходов уже этого производства можно получать концентрат, содержащий до 70 % протеина и вот его можно добавлять в пищу скоту. Все, что требуется – это заполнить сырьем контейнеры, в которых водоросль может развиваться. Затем остается просто собрать урожай. На самом деле это источник постоянно возобновляемой биомассы, которая помимо всего прочего содержит иоксиданты.

Биотопливный потенциал водорослей является объектом пристального внимания учёных Франции, Германии, Японии и США с 50-х годов прошлого столетия, при этом особенно вопрос обострялся во время предыдущего нефтяного кризиса 70-х годов – в полной аналогии с нынешним состоянием дел. [8-16].

Водоросли – это органика, прекрасно подходящая для получения биодизельного топлива, обеспечивает отличный выход биомассы на каждый квадратный метр культивируемых площадей – в отличие от "сухопутных" растений; не содержит серы и других токсичных веществ – в отличие от нефти; наконец, отлично разлагается микроорганизмами и, главное, обеспечивает высокий процент выхода готового к использованию топлива: для некоторых типов водорослей – до 50 % от исходной массы! [8-16].

Микроводоросли аккумулируют для строения мембраны различные липиды и жирные кислоты, их содержание колеблется у разных видов водорослей в пределах от 2 % до 40 % от общего веса [8-16].

Рис. 8–8. Внешний вид фотобиореактора для выращивания водорослей [16].

Таблица.8-2

Получение топлива с гектара. [8-16].

При оптимальных условиях роста микроводорослей можно достигнуть производительности до 168518 литров с га в год.

34 млрд. литров биодизельного топлива может быть произведено на площади в 200 тысяч га в пустынях (для производства такого же количества биотоплива из рапса потребовалось бы занять порядка 23.5 млн. га).

В США проблемой получения недорогого биодизельного топлива для автомобилей занимаются десятки компаний и множество научных групп в самых разных университетах страны. В Центре технологий создания биотоплива (Center for Biorefining) при университете штата Миннесота (University of Minnesota) разработан "фотобиореактор", в котором обеспечивается оптимальный режим перемешивания света и питательных веществ для хорошего выхода продукции при работе даже с "дикими" культурами водорослей.

Главная цель, которая стоит перед исследователями – снижение себестоимости производства биотоплива.

Для замены всех видов топлива на транспорте США, потребуется 640 млрд. литров биодизельного топлива., Для получения этого количества потребуется суши почти 39000 квадратных км. Пустыня Sonora в юго-западной части США составляет 120000 квадратных километров. То есть, необходимая площадь составляет 12.5 % от площади этой пустыни.

8.8. Производство биодизеля из водорослей

Наиболее перспективным источником сырья для производства биодизеля являются водоросли. По оценкам Департамента Энергетики США с одного га земли можно получить 630 литров соевого масла, или 5930 литров пальмового масла. С такой же площади водной поверхности можно производить до 5327481 л бионефти. По оценкам компании Green Star Products с 1 га земли можно получить 540 соевого масла, 1573 л масла канолы и 112346 л из водорослей.

Департамент Энергетики США с 1978 года по 1996 год исследовал водоросли с высоким содержанием масла по программе «Aquatic Species Program»[18]. Исследователи пришли к выводу, что Калифорния, Гавайи 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 граммов водорослей с 1 м2 в день. 200 тысяч гектаров прудов могут производить топливо, достаточное для годового потребления 5 % автомобилей США. 200 тыс. гектаров – это менее 0,1 % земель США, пригодных для выращивания водорослей. У технологии ещё остаётся множество проблем. Например, водоросли любят высокую температуру, для их производства хорошо подходит пустынный климат, но требуется некая температурная регуляция при ночных перепадах температур. В конце 90-х годов технология не попала в промышленное производство из-за низкой стоимости нефти.

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.

В 2006 году несколько компаний объявили о строительстве заводов по производству биодизеля из водорослей:

– Global Green Solutions (Канада) по технологии компании Valcent Products (США) – мощность производства 4 млн. баррелей бионефти в год;

– Bio Fuel Systems (Испания);

– De Beers Fuel Limited (ЮАР) по технологии Greenfuel Technologies Corporation (США) – мощность производства 900 млн. галлонов биодизеля в год (водоросли + подсолнечное масло)

– Aquaflow Bionomic Corporation (Новая Зеландия) – мощность производства 1 млн. литров биодизеля в год.

Литература

8-1. Bодоросли – источник энергии и биотоплива., www. zaryad.com.

8-2. Хозяйственно полезные виды водорослей., www.volimo.ru.

8-3. Биодизель из водорослей: понятие водорослевой фермы., www. paskalex. blogspot.com.

8–4. Золотая" солярка из водорослей., www.economenergy.com.ua.

8-6. Израильские инновации в агротехнологии.,

www.theisraelproject.org.

8-7. Seambiotic Algae Into Biofuel a «Greener» Story In $10 Million Joint Israeli and Chinese Project. www.greenprophet.com.

8-8. Немного o биотопливах, ТОПЛИВО И ЭНЕРГИЯ., www.zelife.ru.

8-9. Использование потенциала очищенной воды городов для производства биотоплива., www.auto.gazeta.kz.

8-10. Альтернативное топливо: водорослями по кризису.,

www.segodnya.ua.

8-11. Эйхорния – корм, биотопливо и удобрение., www. pionerllc.ru.

8-12. Тонны водорослей отдают топливо в обмен на дым заводской трубы www.membrana.ru.

8-13. БИОТОПЛИВО ИЗ ВОДОРОСЛЕЙ – от большой нефти к большим водорослям., www.venture-biz.ru

8-14. Биоэнергетика -> Золото Днепра., www.alternativenergy.ru.

8-15. Биоэнергетика -> Водоросли Eucheuma в энергетике., www. alternativenergy.ru.

8-16. Водоросли – топливо будущего? www.3dnews.ru.

8-17. Широкомасштабное производство биодизеля из водорослей., www.fundconstellation.net.

8-18. Биотопливо – Википедия., ru.wikipedia.org.

8-19. Эйхорния – корм, биотопливо и удобрение., www. pionerllc.ru.

Глава 9. Оборудование для получения биотоплива

9.1. Оборудование для производства топливных брикетов

Рис. 9–1. Брикетировочный пресс для производства брикетов RUF 420 кг/час.[9–1].

Производство топливных брикетов стало возможным, когда появился специализированный пресс. Производство топливных брикетов возможно только при высоком давлении, под которым работает и сам пресс. Производство брикетов не оставляет после себя отходов. Топливным брикетом можно отопить не только завод и фабрику, но и маленький камин..

Рис. 9–2. Топочный брикет

Система брикетирования стала популярна в последние годы и активно развивается. Главным действующим лицом здесь является пресс RUF.[9–1].

Брикетировочный пресс для производства брикетов RUF 420 кг/час. Производитель Ruf GmbH & Co. KG. (Германия)

Назначение пресса: производство РУФ брикетов

/прямоугольные/

Тип пресса: гидравлический

Сырье: деревянные опилки, щепа, измельченные МДФ, бумага, торф и др.

Типы прессов марки RUF:

RUF-100 имеет производительность около 100–150 брикетов в час или 100–120 кг/час

RUF-200 имеет производительность 200–240 брикетов в час (порядка 200 кг/час

RUF-400 имеет производительность до 400–430 брикетов в час (350–400 кг/ч).

RUF-600 имеет производительность до 600–630 брикетов в час (500 кг/ч).

RUF-800 имеет производительность до 780 брикетов в час (700 кг/ч).

RUF-1100 имеет производительность до 600 брикетов в час или 900-1000 кг/ч

RUF-1500 имеет производительность до 440 брикетов в час или приблизительно 1150–1350 кг/ч

RUF LIGNUM Пресс РУФ-Лигнум имеет производительность до 500 брикетов в час (400 кг/ч).

Рис. 9–3. Внешний вид и основные габаритные размеры брикетного пресса RUF LIGNUM [9–2].

БРИКЕТНЫЙ ПРЕСС RUF LIGNUM Производитель компания «Завод Эко технологий», Россия.

Основные особенности:

Пресс готов к эксплуатации сразу после подключения к электросети и системе подачи материала.

Пресс и система электроавтоматики в стандартном исполнении спроектированы и изготовлены для эксплуатации при температуре окружающей среды от +5 °C до +40 °C. Использование пресса вне крытых помещений требует дополнительных опций, защищающих пресс от мороза и других неблагоприятных погодных условий.

Подача материала:

Загрузочный бункер, имеющий армированную конструкцию из стальных листов, с раскрывом 400 x 800 мм,

Объем бункера прибл. 150 литров,

Мешалка с приводным электродвигателем 0,55 кВт для предотвращения сводообразования в материале в бункере,

Загрузочный шнек с приводным электродвигателем 1,5 кВт,

Время загрузки материала регулируется программируемым контроллером автоматически,

Предварительное сжатие материала:

Вертикально расположенный гидравлический цилиндр.

Величина давления для камеры предварительного сжатия устанавливается оператором с панели управления ТР177В, в зависимости от материала.

Устройство контроля длины хода штока цилиндра, информация которого используется для автоматической регулировки времени загрузки материала, расположено вне камеры предварительного сжатия для защиты от пыли.

Основное сжатие материала:

Горизонтально расположенный главный гидравлический цилиндр.

Величина давления для главного цилиндра (до 300 бар) также устанавливается оператором с панели управления ТР177В, в зависимости от материала.

Диаметр цилиндра – 0250 мм, макс. сила давления 150 тонн (при 300 бар).

Производительность пресса:

В зависимости от установок – до 500 брикетов в час.

Размер брикета:

150 x 60 мм в сечении

Длина брикета 40 – 110 мм в зависимости от установок и вида/размера брикетируемого материала (примерный вес брикета 835 г при длине 85–95 мм)

Макс. удельное давление, прибл. 1700 кг/см² (при 300 бар).

Габаритные размеры / Вес:

Прибл. (Д х Ш х В) 2710 x 1800 x 2100 мм

Указанные размеры не учитывают необходимого рабочего пространства для обслуживания пресса составляющего 1000 ? 1500 мм.

Вес (без опций), прибл. 3270 кг

9.2. Древесносжигающие котлы (пеллеты, щепа, брикеты, дрова)

В развитых странах замена угольных или мазутных котлов централизованного теплоснабжения на древесносжигающие котлы снижает затраты потребителей тепла на 20–60 %, поскольку стоимость древесины ниже стоимости угля и мазута. В то же время, древесные котлы более экологичны. В процессе работы они выбрасывают в атмосферу то же количество углекислого газа, которое было поглощено деревьями в процессе роста. [9–3].

9.2.1. Малые котлы

Малые древесные котлы часто используются для отопления домов. В Дании работает около 70 тысяч котлов, в которых сжигаются дрова, древесная щепа и гранулы. Такие котлы обеспечивают тепло для радиаторов так же, как мазутные котлы. Они отличаются от печей, которые обеспечивают теплом только ближайшее помещение. Древесный котел может обеспечивать теплом и горячей водой все здание. Для индивидуального (односемейного) дома установка ручного древесносжигающего котла является наилучшим решением. На более крупных объектах (фермы) экономия за счет использования древесины настолько значительна, что здесь имеет смысл устанавливать автоматические котлы, сжигающие гранулы. [9–3].

Многие древесные котлы малого размера загружаются дровами вручную. Обычно они снабжены бункером для хранения топлива. Ручные котлы для сжигания дров и автоматические котлы для щепы и древесных гранул различаются между собой. Ручные котлы снабжены бакомаккумулятором для накопления энергии, полученной при сжигании топлива. Автоматические котлы оборудованы емкостью для подачи щепы или гранул. Шнековый конвейер подает топливо в соответствии с необходимой тепловой нагрузкой здания.

За последние 10 лет большой прогресс достигнут в усовершенствовании обоих видов котлов с целью повышения эффективности и снижения эмиссии (пыль и монооксид углерода). Улучшения коснулись конструкции топочной камеры, воздухоподачи и автоматизации контроля процесса сгорания. Для ручных котлов эффективность увеличилась от 50 % до 75–90 %. Эффективность автоматических котлов выросла с 60 % до 85–92 %.

9.2.2. Автоматические котлы

Несмотря на относительно простую конструкцию автоматических котлов, во многих из них достигается эффективность 80–90 % и уровень эмиссии СО около 100 ppm (100 ppm = 0,01 об. %). В некоторых котлах достигнуты параметры 92 % и 20 ppm. Важным условием для достижения таких хороших результатов является использование котла с полной нагрузкой. Для автоматических котлов важно, чтобы номинальный нагрузка котла не превышала потребности в тепле в зимний период. В переходный период (3–5 месяцев) весны и осени тепловая нагрузка обычно снижается до 20–40 % от номинальной. Это приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик. В течение летнего периода потребность в тепловой энергии снижается до 1–3 кВт на горячее водоснабжение. Это не превышает 5-10 % от номинальной нагрузки котла. В случае эксплуатации котла его КПД снижается на 20–30 %, а вредное воздействие на окружающую среду увеличивается. Альтернативой летней эксплуатации котла может быть установка комбинированной системы с баком-аккумулятором и солнечным коллектором. [9–3].

Рис. 9–4. Автоматический котел.

9.2.3. Использование древесных гранул и щепы в котлах с автоматической подачей топлива

Автоматические котлы подключаются к системе теплоснабжения так же, как мазутные или газовые. Тепло от сгорания топлива передается теплоносителю – воде, которая после нагрева поступает в радиаторы, расположенные в помещениях дома. Таким образом, котел отапливает все помещения в здании, в отличие от печи, которая обогревает лишь комнату, в которой находится. Гранулы и щепа имеют идеальный размер для использования в автоматических котлах, поскольку они подаются в котел непосредственно из бункера. Бункер необходимо заполнять один-два раза в неделю. В котлах с ручной подачей топлива, использующих, например, дрова, последние необходимо загружать несколько раз в день. Однако такие котлы обычно дешевле автоматических.[9–3].

9.2.4. Котлы с ручным управлением

Существует правило, что ручные котлы, работающие на дровах, имеют приемлемые параметры сжигания только на полной нагрузке. Однако в отдельных установках, имеющих контроль содержания кислорода, нагрузка может быть уменьшена до 50 % без изменения эффективности или эмиссии. В таких котлах проводится отбор проб и анализ содержания кислорода в дымовых газах и автоматическое регулирование подачи воздуха. [9–3].

Аналогичные системы используются в автомобилях. Для того, чтобы не приходилось загружать котлы каждые 2–5 часов в холодные периоды года, номинальная мощность котлов выбирается в 2–3 раза больше номинальной тепловой потребности здания. Это означает, что для котлов с ручной подачей топлива требуется больший размер. Котлы, использующие дрова, должны иметь емкость для хранения топлива. Это обеспечивает комфорт для пользователя, меньшие финансовые затраты и экологическое воздействие. Кроме того, в котлах без такой емкости часто наблюдаются усиленная коррозия, вызванная колебаниями температуры воды и дымовых газов.

Принцип BURN-THROUGH (подача воздуха сквозь топливо).

Практически все старые печи используют этот принцип. Воздух поступает в них снизу и проходит вверх, преодолевая массив топлива. В таких печах топливо сгорает очень быстро. Газы не сгорают полностью, потому что температура внутри низкая. Большая часть газов вместе с энергией, содержащейся в них, попадает в дымоход. Дымовые газы не успевают передать тепловую энергию в сравнительно коротком дымоходе. В целом эффективность таких печей обычно не превышает 50 %. [9–3].

Рис. 9–5. Котел с подачей воздуха сквозь слой топлива /

Рис. 9–6. Котел с нижней подачей воздуха.

9.2.5. Котлы с нижней подачей воздуха

Такие котлы весьма отличаются от описанных выше печей. Поступающий в них воздух проходит не через весь массив топлива, а только через часть. При этом горит только нижний слой древесины. Остальные слои высушиваются и медленно газифицируются. Добавление воздуха (так называемый вторичный воздух) непосредственно в пламя позволяет сжигать летучие компоненты более эффективно. В топочных камерах современных котлов с нижней подачей воздуха имеется керамическая футировка, сохраняющая тепло внутри камеры. Это позволяет повысить температуру и эффективность сжигания. Типичная эффективность таких котлов находится на уровне 65–75 %. [3].

9.2.6. Котлы со встречной подачей

В таких котлах воздух также подается только к части топлива. Газы также образуются медленно и сгорают более эффективно. Вторичный воздух также подается в футированную камеру сгорания, в которой поддерживается высокая температура. Дымовые газы должны преодолеть большое расстояние внутри котла, отдавая при этом тепловую энергию. Эффективность таких котлов находится обычно на уровне 75–85 %. Некоторые из них снабжены вентиляторами для подачи воздуха вместо использования естественной тяги. Сжигание в таких котлах происходит лучше, с меньшим образованием сажи. Однако их эффективность отличается незначительно. [9–3].

Рис. 9–7. Котел со встречной подачей.

9.2.7. Эффективность (КПД) котлов

Качество котла зависит от отношения между энергией, содержащейся в топливе, и энергией, переданной в систему теплоснабжения. Это отношение называется эффективность или коэффициент полезного действия (КПД). Чем выше эффективность котла, тем большая часть энергии топлива будет передана теплоносителю (воде) в котле. Хорошие котлы имеют эффективность 80–90 %.

Потребление древесины в котлах со встречной подачей обычно находится в диапазоне от 4 кг/час для котла мощностью 18 кВт до 18 кг/час для котла мощностью 80 кВт. Для условий Центральной Европы средний односемейный дом (150 м²) потребляет 12 м³ древесины за отопительный сезон. Типичный котел может сжигать куски дерева длиной до 80 см. В таблице внизу приведены дополнительные данные о котлах промежуточного размера. [9–3].

Таблица. 9-1

Данные о котлах промежуточного размера

Теплотворная способность древесины 15 МДж/кг.

9.2.8. Бак-аккумулятор

Установка бака-аккумулятора совместно с древесносжигающими котлами имеет смысл всегда. Дополнительные расходы, связанные с приобретением и установкой бака, окупаются достаточно быстро. Качество сжигания улучшается. Вскоре после зажигания топлива процесс горения стабилизируется, и котел начинает производить тепло. Без бака вода очень скоро станет слишком горячей, и регулирующая заслонка должна будет уменьшить поступление воздуха для того, чтобы предотвратить закипание воды. Уменьшение количества воздуха приводит к повышенному образованию дыма и неполному сгоранию. [3].

При наличии бака процесс горения может продолжаться, при этом тепло накапливается в баке. Вода в котле не перегревается. Заслонка открыта, а процесс горения происходит с максимальной эффективностью. Теплая вода поступает в радиаторы непосредственно из бака-аккумулятора. Размеры бака зависят от количества тепла, необходимого для здания, и эффективности котла.

9.2.9. Выбор топлива

Топливо должно быть сухим. Содержание воды в свежеспиленном дереве достигает 50 %, поэтому сжигать его сразу неэкономично. Часть энергии при сжигании будет затрачено на испарение воды, соответственно количество полезной энергии окажется меньшим. Поэтому перед сжиганием древесина должна высушиваться. Лучшее, что можно сделать – подождать по крайней мере год, а лучше два. Простейшим способом является хранение древесины на открытом воздухе под навесом или в сарае, предохраняющем от прямого попадания дождя. [9–3].

9.2.10. Дымоход

Дымоход формирует тягу в котле. Тяга получается из-за разности плотностей воздуха на входе котла и в верхней части дымохода. Поэтому высота дымохода, температура дымовых газов и теплопроводность материалов влияют на величину тяги. Изгибы и наличие горизонтальных участков уменьшают тягу. Они вызывают сопротивление, которое должен преодолеть горячий воздух. Поэтому обычно количество горизонтальных участков и изгибов сводится к минимуму. Некоторые котлы имеют встроенные вентиляторы, обеспечивающие необходимую тягу на постоянной основе. [9–3].

9.3. Типы котлов для щепы и гранул

Существует три типа котлов с автоматической подачей для щепы и гранул:

• Компактные устройства, в которых котел и бункер объединены.

• Устройства с питателем, в которых котел и бункер отделены друг от друга.

• Котлы с предтопком.

9.3.1. Компактные устройства

В таких устройствах топливо подается из бункера с помощью автоматического питателя. Количество подаваемого топлива определяется с помощью термостта. Если вода в котле имеет малую температуру, подается больше топлива, и наоборот. Компактные устройства прекрасно работают на гранулах. Они менее приспособлены для щепы, которая имеет меньшую энергетическую плотность. Для щепы загрузка топлива должна проводиться часто. Кроме того, влажность щепы нередко бывает слишком высокой, в результате ее сгорание происходит неоптимальным образом. [9–3].

9.3.2. Котлы с питателем

В таких котлах топливо также подается автоматически из бункера с помощью шнекового конвейера. Топливо подается в нижнюю часть решетки, где и происходит сгорание. Контроль также осуществляется с помощью термостата. Лучшим видом топлива являются гранулы, однако сжигание щепы также возможно в устройствах, разработанных специально для щепы. Щепа при этом не должна быть слишком влажной, поэтому необходима ее предварительная сушка. Лучшим способом сушки является выдерживание древесины перед измельчением в рубительной машине. Щепа также может сушиться после рубки, по крайней мере, в течение двух месяцев. Для этой цели необходимо значительное пространство для ее хранения. [9–3].

Рис. 9–8. Котел с питателем.

9.3.3. Котлы с предтопком

В этом типе котлов сжигание топлива в основном происходит при высокой температуре в предтопках. Для поддержания высокой температуры предтопки имеют глиняную обмуровку. Котлы с предтопком пригодны для сжигания влажной древесной щепы. Не сгоревшие в предтопке газы дожигаются в котле. В некоторых котлах могут сжигаться и гранулы, однако существуют котлы, которые могут быть повреждены при сжигании сухого топлива. Поэтому перед приобретением котла необходимо проконсультироваться с производителем.[9–3].

9.3.4. Соломосжигающие котлы (солома злаковых, стебли)

Солома имеет близкую к древесине теплотворную способность и может быть использована в качестве топлива для котлов. Однако существует ряд трудностей, из-за которых солома используется преимущественно в больших котлах, обычно работающих в системах централизованного теплоснабжения и в сельском хозяйстве.

Рис. 9–9. Котел с предтопком.

Солома – сложный вид топлива. Обеспечение котла соломой затруднено ее негомогенной структурой, относительно большой влажностью и большим объемом по сравнению с содержанием энергии. Объем соломы превышает в 10–20 раз объем угля с аналогичным содержанием энергии. Более того, 70 % сгораемых компонентов соломы содержатся в летучих газах, выделяющихся в процессе сжигания. Большое содержание летучих компонентов требует специальной конструкции топки и организации потока воздуха в ней. Солома содержит соединения хлора, которые могут вызвать проблемы с коррозией при высоких температурах. Температура плавления соломенной золы относительно низкая из-за высокого содержания щелочных металлов. В результате могут возникать проблемы с золоудалением.[9–3].

9.3.5. Системы централизованного теплоснабжения

Несмотря на перечисленные проблемы, в мире существует большое количество станций централизованного теплоснабжения, использующих солому в качестве топлива. Начиная с 80-х годов, только в Дании было построено более 70 таких станций. Их мощность варьируется от 0,6 до 9 МВт при средней мощности 3,7 МВт. На этих станциях используются так называемые тюки Хестона (Hesston bales), имеющие размеры 2,4x1,2x1,3 м и вес 450 кг. Конструкции станций предусматривают возможность использования резервного топлива в газовых или мазутных котлах для случаев большой пиковой нагрузки, ремонтов и аварий. Мощность соломосжигающих котлов обычно соответствует 60–70 % максимальной нагрузки, что облегчает их эксплуатацию летом в условиях низкой нагрузки. [9–3].

Соломосжигающие станции состоят из стандартных компонентов:

– хранилище для соломы.

– устройство для взвешивания соломы.

– погрузчик.

– конвейер.

– устройство подачи топлива в котел (питатель).

– котел.

– устройство для очистки дымовых газов.

– дымовая труба.

9.3.5.1. Котел

Конвейер подает солому в нижнюю часть котла, где находится массивная железная решетка. Здесь и происходит сжигание. Решетка обычно делится на несколько зон сгорания, каждая из которых имеет собственный вентилятор, подающий воздух через решетку. Сжигание может контролироваться независимо в каждой зоне. Таким образом достигается полное сжигание соломы. Большая часть горючих веществ (70 %) в результате нагрева выделяется в виде летучих компонентов, которые сгорают в топочной камере над решеткой. Для обеспечения полного сгорания летучих компонентов вторичный воздух подается через форсунки, установленные в стенках котла. Из топочной камеры дымовые газы подаются в конвективную зону котла, в которой большая часть тепла передается через стенки котла циркулирующей воде. Конвектор обычно состоит из рядов вертикальных труб, через которые пропускаются дымовые газы. В большинстве существующих станций имеется экономайзер – теплообменник, установленный за конвектором. В экономайзере происходит дополнительная передача тепла воде, что приводит к увеличению эффективности системы в целом. [9–3].

9.3.5.2. Требования к качеству соломы

Солома, поставляемая для сжигания, должна удовлетворять определенным требованиям для того, чтобы уменьшить риск возникновения эксплуатационных проблем в процессе производства энергии. Хранение, подготовка, дозирование, подача, сжигание и экологические последствия перечисленных операций таят в себе возможность возникновения проблем. Влажность соломы является одним из самых важных критериев качества этого вида топлива. Обычно влажность варьируется в пределах 10–25 %, но иногда может быть и выше. Теплотворная способность и цена соломы зависит от влажности.[9–3].

Все тепловые станции определяют приемлемую максимальную влажность поставляемой соломы. Высокое содержание воды может вызвать проблемы при хранении и нарушения в работе станции в целом, а также уменьшение мооности и увеличение затрат на подготовку, дозирование и подачу соломы в котел (и, возможно, уменьшение КПД котла). Приемлемая максимальная влажность поставляемой соломы отличается для разных станций в пределах 18–22 %. Разные виды соломы обладают различными свойствами при сгорании. Некоторые виды горят практически взрывообразно, почти не оставляя золы, другие горят медленно, оставляя на решетке "скелет" золы. Опыт, накопленный на разных станциях централизованного теплоснабжения, не всегда идентичен. Различия в процессе сжигания не всегда можно объяснить на основании обычных лабораторных измерений.

9.3.5.3. Системы отопления мощностью менее 1 мВт

Этот тип установок отличается от систем централизованного теплоснабжения и используется в основном в сельской местности. Использование соломы в качестве источника энергии в аграрном секторе началось в 70-х годах в результате энергетического кризиса, во время которого существовали субсидии на установку соломосжигающих котлов. За последние 10–15 лет концепция таких котлов была развита от маленьких и примитивных котлов, требующих наличия обслуживающего персонала, сжигающих тюки, подающиеся вручную, и имеющих проблему с дымовыми газами, до больших котлов, сжигающих тюки часто с автоматической подачей, с загрузкой топлива 1–2 раза в сутки. [9–3].

Ранее на рынке преобладали котлы для маленьких тюков. Сегодня большая часть котлов с периодической подачей приспособлена для больших тюков (круглые и прямоугольные тюки Хестона). Котлы, использующие большие тюки, хорошо приспособлены для обеспечения годовой потребности в тепле, соответствующей потреблению по крайней мере 10000 литров мазута. Имеются котлы разных размеров, использующие одновременно от одного круглого тюка (200–300 кг) до двух тюков Хестона (1000 кг). Обычно котел сжигает тюки последовательно. Трактор, оборудованный захватом, доставляет тюк на решетку через открытую переднюю часть котла. Для обеспечения хорошего сжигания и уменьшения уноса частиц в дымовых газах скорость и количество подаваемого в котел воздуха могут отличаться в верхней и нижней части топочной камеры.

Ранее котлы с периодической загрузкой вызывали много проблем в случае использования соломы низкого качества. Кроме того, возникали сложности с контролем подачи воздуха. В последних моделях эти проблемы решены. Содержание воды, однако, должно поддерживаться не выше 15–18 %. Сегодня максимальная эффективность котлов достигает 75 % при содержании СО ниже 0,5 %. Десять лет назад типичным значением эффективности было 35 %. [9–3]

Рис. 9-10. Загрузка топки котла соломенными тюками.[3].

9.3.5.4. Котлы с автоматической подачей топлива

Интерес к котлам с автоматической загрузкой вырос потому, что популярные котлы с периодической подачей тюков малого размера требуют наличия значительного обслуживающего персонала. Было разработано несколько типов автоматических котлов, однако все они включают дозирующее устройство, которое автоматически и постоянно снабжает котел соломой. Такое устройство может работать с целыми тюками, измельченной соломой или соломенными гранулами. [9–3].

9.3.5.5. Котлы для соломенных тюков

Устройство, состоящее из рыхлителя и режущего приспособления, разделяет тюки на отдельные части разных размеров. Тюки подаются в него с помощью конвейера. Количество поступающей соломы часто регулируется с помощью изменения скорости конвейера. После измельчения солома перемещается с помощью червячного транспортера или вентиляторов. Если используются вентиляторы, то расстояние до котла может быть большим, однако при этом используется большее количество энергии.

На практике рыхлитель не режет или разрывает солому, а разделяет ее на сегменты, в которых солома была спрессована пресс-подборщиком. Для обеспечения постоянного количества подаваемой соломы рыхлитель обычно оборудован удерживающим устройством. Большинство рыхлителей также имеют ножи для измельчения от образования больших фракций соломы. [9–3].

В автоматических котлах сжигание происходит одновременно с подачей соломы в топку. Количество подаваемого воздуха соответствует количеству соломы и регулируется с помощью переменной заслонки перед вентилятором. Это обеспечивает оптимальное сжигание и высокий коэффициент использования топлива, а значит и уменьшение эмиссии пыли по сравнению с ручными котлами, не имеющими регулировки подачи воздуха. Возгорание соломы в автоматических котлах не вызывает проблем, поскольку подача топлива происходит непрерывно. [9–3].

9.3.5.6. Котлы для соломенных гранул

Интерес к использованию соломенных гранул в качестве источника энергии вырос в течение последних лет. В настоящее время производство и использование соломенных гранул относительно невелико. Интерес вызван однородной и удобной структурой этого вида топлива, прекрасно приспособленного для транспортировки в танкерах и использования в автоматических теплоснабжающих установках. Однако существуют еще нерешенные проблемы с золоудалением в случае использования соломенных гранул в малых котлах. [9–3].

Отопительные устройства на гранулах обычно используются в индивидуальных домах. Обычно они состоят из котла и закрытой емкости для топлива (соломенных гранул). Червячный питатель подает гранулы в топку котла. Питатель работает периодически, а количество подаваемого топлива регулируется величиной интервала между его последовательными включениями. Воздух подается с помощью вентилятора. Количество золы в малых котлах обычно равно 4 % от веса использованной соломы.

В Украине наиболее перспективными для коммерческого использования в ближайшие годы можно считать следующие технологии:

• промышленные древесносжигающие котлы мощностью 0,1–5 МВт для установки в гослесхозах и на деревообрабатывающих комбинатах;

• древесносжигающие станции централизованного теплоснабжения (ЦТ) мощностью 1-10 МВт;

• соломосжигающие фермерские котлы и котлы для малых теплосетей мощностью 0,1–1 МВт;

• соломосжигающие станции ЦТ мощностью 1-10 МВт;

• биогазовые установки для крупных ферм КРС, свиноферм, птицефабрик и предприятий пищевой промышленности;

• установки добычи и использования биогаза с полигонов ТБО в миниэлектростанциях мощностью 0,5–5 МВт. [9–3].

В Таблице 9–2 представлены данные по оборудованию, которое может быть установлено в Украине в рамках реализации разработанной концепции. Снижение выбросов СО₂ рассчитано для случая замещения природного газа. При расчетах приняты следующие показатели удельных капитальных затрат, исходя из стоимости оборудования украинского производителя (в скобках также указаны используемые в расчетах средние мощности оборудования):

• древесносжигающие котлы централизованного теплоснабжения – 75 $/кВт_т (2 МВт);

• промышленные древесносжигающие котлы – 100 $/кВт_т (1 МВт);

• древесносжигающие мини-ТЭЦ – 1000 $/кВт_э (5 МВт_э+10 МВт_т);

• малые бытовые древесносжигающие котлы – 50 $/кВт_т (30 кВт);

• соломосжигающие фермерские котлы и котлы для малых теплосетей – 80 $/кВт_т (0.2 МВт);

• соломосжигающие станции централизованного теплоснабжения – 100 $/кВт_т (2 МВт);

• соломосжигающие мини-ТЭЦ – 1500 $/кВт_э (5 МВт_э+10 МВт_т);

• биогазовые установки – 100 $/м³ объема метантанка (объем метантенка 1000 м³, 75 кВт_э+150 кВт_т);

• миниэлектростанции на биогазе с полигонов ТБО – 600 $/кВт_э (1 МВтэ).

• биоэнергетическое оборудование, которое может быть установлено в Украине в рамках реализации предложенной концепции.

Таблица. 9-2

Биоэнергетическое оборудование, которое может быть установлено в Украине в рамках реализации предложенной концепции [9–3].

* включая 2478 установок на фермах КРС, 295 – на свинофермах, 130 – на птицефабриках.

9.4. Получение электроэнергии из биомассы

9.4.1. Газификация [9–3]

Обычно электроэнергию из древесины получают путем использования паровых турбин конденсационного типа. При этом биомасса сжигается в котле для производства пара, который, попадая в турбину, приводит в движение генератор. Технология хорошо известна, проверена и позволяет использовать широкий диапазон топлив. Однако оборудование сравнительно дорогое, а эффективность сравнительно низкая. При этом возможности улучшения этих параметров в будущем ограничены. [9–3].

Новейшим способом получения электроэнергии из биомассы является газификация. Часть лигноцеллюлозного твердого топлива переводится в газообразную форму, содержащую 65–70 % энергии исходного топлива. Получаемые горючие газы могут использоваться аналогично природному газу для производства электроэнергии, в качестве топлива для автомобилей, в промышленности, или для получения синтетических видов топлива. Технология находится в стадии интенсивных исследований.

Многообещающей альтернативой является термохимическая газификация биомассы в условиях ограничения количества воздуха и использование получаемых газов в газовых турбинах. Газовые турбины относительно дешевые, более эффективные и имеют хорошие перспективы улучшения обоих показателей.

Газификаторы биомассы обычно имеют четыре основные составные части:

• Система подготовки и подачи топлива.

• Реактор.

• Газоочистка, система охлаждения и перемешивания.

• Энергетическая установка, например, двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с генератором или насосной установкой, или газовая горелка в котле или печи. [9–3]. Использование газа в ДВС с последующим производством электроэнергии предъявляет жесткие требования к газификатору и качеству получаемых газов. Необходимость очистки, охлаждения и перемешивания газа делает технологию достаточно сложной. Опыт эксплуатации подобных устройств в мире показал, что они чувствительны к изменению параметров топлива, изменению нагрузки оборудования, качеству обслуживания и условиям окружающей среды.

К газификаторам, используемым только для производства тепла, не предъявляются столь жесткие требования, поэтому их легче проектировать и эксплуатировать, они дешевле и более эффективные с энергетической точки зрения.[9–3].

Все типы газификаторов требуют использования топлива с низкой влажностью и малым содержанием летучих компонентов. Поэтому древесный уголь хорошего качества является лучшим видом топлива. Однако его использование требует дополнительного оборудования, что снижает общую эффективность метода. [9–3].

В простейшей газовой турбине с открытым циклом горячие газы выбрасываются непосредственно в атмосферу. Другой возможностью является их использование для производства пара с помощью утилизатора тепла.

Рис. 9– 11. Промышленный газификатор [9–3].

Пар может использоваться для обогрева в когенерационных системах, а именно для повторного впрыска в газовую турбину. Это приводит к увеличению производства энергии и повышению общей эффективности системы (цикл STIG – газовые турбины с инжекцией пара в паровых турбинах и цикл GTCC – комбинированный газопаровой цикл). Биомассу легче газифицировать, чем уголь. К тому же, она имеет меньшее содержание серы. Использование технологий BlG/GTs для когенерации, а также для производства электроэнергии во многих случаях может оказаться дешевле, чем использование для этих целей больших централизованных угольных тепловых станций, для которых необходимо проводить сероочистку, а также атомных и гидростанций. [9–3]. Газификаторы, использующие древесину и древесный уголь, становятся коммерческим продуктом… Капитальные затраты могут быть значительно уменьшены в случае использования для строительства местных материалов. Например, стоимость газификатора, построенного из железобетона в Азиатском технологическом институте (Бангкок) оказалась в десять раз меньше западных аналогов. Для развивающихся стран многообещающей перспективой является использование технологии BlG/GTs (бъединяющим газификацию биомассы и газовые турбины (BlG/GTs) для потребностей сахарной промышленности и производства этанола.[9–3].

9.4.2. Совместное сжигание

Совместное сжигание, например, газифицированной биомассы и угля является хорошей возможностью уменьшения атмосферной эмиссии на угольных электростанциях. В 1999 году новая установка для совместного сжигания биомассы и угля была запущена в городе Zeltweg (Австрия). Газификатор биомассы мощностью 10 МВт был установлен на существующей угольной электростанции. Газификатор потребляет 16 м³ биомассы (щепа и кора) в час. Теплотворная способность получаемого газа находится в диапазоне 2,5 – 5 МВт/м³. Проект, получивший название «Biococomb», являлся демонстрационным проектом ЕС. Он был реализован компанией «Verbund» совместно с другими компаниями из Италии, Бельгии, Германии и Австрии и частично финансировался Европейской Комиссией. [9–3].

Сжигание биомассы и газовые турбины.

В развитых странах существует тенденция увеличения числа малых и более гибких установок для совместного производства тепла и электроэнергии, использующих биомассу в качестве топлива. Одним из новейших представителей этого типа устройств является когенерационная станция в городе Ноксвилл (Knoxville, штат Теннеси, США). Установка сочетает топку для древесины и газовую турбину. Перед турбиной горячие газы под давлением проходят через фильтр. Установка может работать на свежих опилках (40 % влажности). При электрической мощности 5,8 МВт установка потребляет 10 тонн опилок в час. Тепло уносится с выхлопными газами, имеющими температуру 370 °C. Электрический КПД равен 19 %, а общий КПД – 75 %. Выхлопные газы могут использоваться в паровой турбине, увеличивая электрическую мощность до 9,6 МВт, а электрический КПД – до 30 %. Установка в Ноксвилле работает с 1999 года.[9–3].

9.4.4. Пеллетные котлы

Для большинства строительных компаний, простых владельцев жилья, а также застройщиков на сегодняшний день одним из наиболее актуальных вопросов является обогрев помещений в зимнее время. Проблема осложняется тем, что даже в современных условиях не всегда получается использовать те системы отопления, которые работают непосредственно на газе и электроэнергии. А причиной тому во многом является экономическая нецелесообразность. Нередко выгоднее использовать иное отопительное оборудование. К примеру, котлы на пеллетах, которые отлично работают на твердом биотопливе. [9–4]. Пеллетные котлы – это твердотопливные системы отопления, использующие в качестве топлива пеллеты.

Рис. 9-12. Древесные пеллеты [9–4].

Рис. 9-13. Пеллетный котел.[9–4].

Котлы на пеллетах обладают рядом преимуществ. У них достаточно высокий коэффициент полезного действия – примерно 90 %. Они удобны в эксплуатации, а также обладают превосходными техническими характеристиками, обеспечивают в помещении максимальный уровень комфорта, который не уступает обогреву посредством газа и электричества. Пеллетные котлы выгодны еще и своей относительной дешевизной, ведь древесные гранулы и стоят намного меньше, чем жидкое/газообразное топливо для другого отопительного оборудования. А на их обслуживание нет значительных растрат, поэтому с финансовой точки зрения данные системы отопления домов являются крайне выгодным вариантом. [9–4]. Производство котлов на пеллетах осуществляется с использованием современных технологий, учитывая все современные тенденции в теплоэнергетике. Котлы на пеллетах обладают различной стоимостью, поэтому всегда есть возможность подобрать такое оборудование, которое подойдет вам по цене.

Производство пеллетных котлов предусматривает широкий диапазон мощностей – от 15 до 500 кВт, в зависимости от площади, а также состояния теплоизоляции помещения, в котором планируется монтаж системы отопления. Ориентировочный расчёт теплопотерь системы отопления, а также требуемой мощности пеллетного котла можно осуществить как самостоятельно, так и обратившись к специалистам, работающими в данной сфере. Вам обязательно помогут подобрать подходящую модель, а также проконсультируют по монтажу выбранной системы отопления.

Котлы на пеллетах не требуют практически никакого специального обслуживания, и поэтому для домов, а также коттеджей – это практичное, интересное и экологичное решение.

ПРЕЖДЕ ВСЕГО, ПЕЛЛЕТНЫЕ КОТЛЫ ОТОПЛЕНИЯ – ЭТО НЕЗАВИСИМОСТЬ ОТ МАГИСТРАЛЬНЫХ ЭНЕРГОСИСТЕМ.

Котлы, работающие на пеллетах, нуждаются лишь в наличии электричества. А что делать, если во время функционирования такого отопительного котла на древесных гранулах исчезнет напряжение в сети? Такой вопрос задают многие потенциальные покупатели. В данном отношении твёрдотопливные котлы на пеллетах – наиболее безопасные и эффективные. Во-первых, при исчезновении в горелке пламени исключены все возможные трагические последствия (утечки топлива не произойдет, как, это может быть с газом). Ну, а во-вторых, даже если и отсутствует электропитание, топливные котлы на пеллетах способны до восьми часов поддерживать активное горение. Этого времени будет вполне достаточно, для того чтобы энергетики смогли восстановить активную и непрерывную подачу электричества, даже если где-либо на линии произошел обрыв или серьезная авария.[9–5].

В настоящее время рынок предлагает множество видов пеллетных котлов.[9–5].

Наиболее перспективными для сжигания пелеттов являются котлы твердотопливные. Они обладают целым рядом следующих преимуществ:

Эффективность. Пеллетные твердотопливные котлы отопления отличаются высоким КПД – 85–95 %.

Автоматизация. Твердотопливные пеллетные котлы имеют высокий уровень автоматизации. Такое оборудование обеспечивает стабильное поддержание заданной температуры. Автоматически, по мере необходимости осуществляется и подача топлива из бункера. Благодаря этому в течение нескольких суток такие котлы способны функционировать без участия человека. [9–5].

Безопасность. Твердотопливные котлы на пеллетах гарантируют полную пожарную и взрывную безопасность.

Рис. 9-14. Вид твердотопливного пеллетного котла в разрезе.

Рис. 9-15. Внешний вид твердотопливного котла на пеллетах.[9–5].

Простота эксплуатации. Системы пеллетного отопления не требуют специального обслуживания. Чистка золы проводится один раз в месяц.

Длительный срок эксплуатации. Пеллетные котлы способны прослужить 20 и более лет

9.5. Крупные газогенераторные станции

Газогенераторная (ГГ) электростанция в г. Неймеген провинции Гелдерланд в Нидерландах. ГГЭлектростанция использует древесные отходы и древесную щепу. Отходы лесорубки и деревообработки собираются в трех местах в Нидерландах. Древесная щепа затем транспортируются в контейнерах на ГГЭлектростанцию. Чипы затем выгружается в приемный бункер и передается на дробление. После дополнительной очистки магнитами, остальная часть загрязнений удаляется ветерпросеивающей установкой. Затем материал доставляется в молотковую мельницу (15ton/hr), которая размалывает на частицы не более 4 мм. Этот поток материала просеивают и далее разделяют перед транспортировкой в пылесборник. Статический классификатор удаляет коло 10 % материала <800um. Сушка предварительно нагретым воздухом используется для сушки материала на стадии мельницы. [9–6].

Netherlands: Нидерланды:

Рис. 9-16. Газогенераторная электростанция в г. Неймеген.

Каждая мельница перерабатывает около 1,8 тонн в час, с конечной плотностью продукта от 200 до 240 кг/м³. Система замера подает древесный порошок в четыре отдельные линии впрыскивания в горелки, каждая из которых способна передать от 1,1 до 3,5 тонн в час. Четыре особых горелки мощностью 20MWth каждая установлены в котле (по два с каждой стороны) ниже самых низких рядов существующих 36 угольных горелок.

Существует пеллеты из смешанной биомассы, используемой в совместном сжигании на заводе Maasvlakte (см. ниже). Гранулы изготовлены из осадка сточных вод, отходов древесины и бумаги ила, имеющихся в непосредственной близости от завода. Гранулы смешивают с исходного угля на конвейерных лент. Bio-Mass Nederland началась в начале 1998 года с производства пеллет, состоящих из биомассы (обрезки), осадки сточных вод и бумаги шлама. Годовой объем производства оценивается в 150 000 тонн материала с более высокой теплотворной способностью около 16 МДж / кг. Это количество топлива заменит 30000 тонн угля и тем самым приводит к эквивалентным сокращением выбросов CO₂.

Рис. 9-17. ГГэлектростанция в Maasvlakte около Ротердама в Нидерландах.[9–6].

Нидерланды являются в Европе лидером по совместному сжиганию угля и биомассы. Это популярно по ряду причин: относительно дешевое совместное сжигание, экологическая чистота, снижение выбросов парниковых газов, эффективное преобразование биомассы в энергию, достижение реализации реализация в течение короткого периода.

Рис. 9-18. ГГэлектростанция в штате Миннесота (Fibrominn), США.

Расположение: штат Миннесота Оператор: Fibrowatt ООО Конфигурация: 1 X 55 MW Пуск в эксплуатацию: 2007 Топливо: помет птицы.

Краткая информация: Это первая ГГэлектростанция в США, предназначенная для сжигания 700000 тонн в год помета индейки плюс другая биомасса сельскохозяйственных отходов, что составляет около 40 % от помета, производимого комплексами по разведению индеек в шт. Миннесота, разработана компанией Fibrominn в партнерстве с администрацией города Бенсон.[9–7].

Рис. 9-19. ГГэлектростанция в местечке

BMC Moerdijk на юге Нидерландов.

Расположение: Netherlands Оператор: BMC Moerdijk BV Пуск в эксплуатацию: 2008 Топливо: помет птицы Краткая информация: Первая крупномасштабная ГГэлектростанция по сжиганию птичьего помета на территории континентальной Европы. Она принадлежит совместному предприятию Delta BV, австрийской энергетической AG, и сельскохозяйственным кооперативам Duurzame Energieproductie Pluimveehou-derij (DEP) и Zuidelijke Земля-En Tuinbouworganisatie (ZLTO). DEP будет поставлять 440 000 т помета на грузовиках, в основном из южной Голландии. Строительство электростанции стоимостью € 150 млн. началось 28 августа 2006, а официальное открытие было на 3 сентября 2008. Около 25 сотрудников работают на предприятии.[9–7].

Рис. 9-20. ГГэлектростанция в местечке Amel, Бельгия

Оператор: Renogen SA Конфигурация: 1 X 5.3 MW CHP Ввод в эксплуатацию: 2007 Топливо: wood Краткая информация: ГГТЭЦ поставляет горячую воду для двух заводов в новом Quot в промышленном районе Арденн, а электричество поступает в сеть. Топливо – древесные отходы из местных лесозаготовительных компаний. [8].

Рис. 9-21. Газогенераторный блок GE Jenbacher, который будет построен в рамках Фазы 2 программы использования биомассы как топливо. [8].

Рис. 9-22. Газотурбогенератор, использующий генераторный газ из биомассы, мощность 300kW-450kW.[9].Основная технология газогенерации биомассы компании Nexter-ra – это системы восходящего потока газификации с неподвижным слоем, дающие в конечном итоге на выходе тепловую энергию от 2 до 40 МВт (от 8 до 140 млн. БТЕ / ч) и электрическую 2 – 15 МВт. Системы Nexterra просты по конструкции, способны обрабатывать широкий диапазон сырья и производят очень низкий уровень выбросов.

9.5.1.Газогенераторная Электростанция мощностью 10 МВт на Возобновляемых Источниках Энергии

Компания Nexterra поставила в Соединенном Королевстве свой первый проект газификации биомассы для компании MWH и системы Бирмингем Био ООО. Вклад компании Nexterra в создании электростанции мощностью 10 МВт электроэнергии из возобновляемых источников для продажи в сеть. в Tyseley, Великобритании составляет 47,8 млн. фунтов стерлингов. Проект был разработан Carbonarius.. Элетростанция будет использовать 67 000 зеленых тонн / год локально-источников класса А – С древесных отходов для производства пара, который будет преобразован в электричество через паровую турбину и систему газогенератора.[9-10]

Рис. 9-23. Схема газификатора Nexterra в разрезе.

1. Система поступления топлива.

Измерительный бункер обеспечивает краткосрочное хранение топлива и обеспечивает постоянную подачу топлива в газогенератор.

Топливо ттранспортируется горизонтальным шнеком от дозирующего бункера к вертикальному шнеку, который толкает топливо в основу топливной стопку внутри газификатора.

2. Газификация. В газогенераторе, топливо проходит через последовательные стадии сушки, пиролиза, газификации и приведения к золе. Воздух для горения (20 – 30 % от стехиометрического), пар и / или кислород вводят через внутренний и внешний конус в основание топлива. Частичное окисление, пиролиз и газификация происходят при 815 – 980 °C, и топливо преобразуется в «синтез-газ» и негорючую золу. Температура горения топлива жестко контролируются и поддерживается ниже температуры плавления золы для того, чтобы не формировался «клинкер» и чтобы зола выходила свободно.

Рис. 9-24. Газогенераторный блок компании Nexterra, (Канада, Ванкувер, основана в 2003 г.). [9-10].

3. Автоматическая система удаления золы. Образующаяся зола мигрирует к решетке в основе газогенератора, где она удаляется с перерывами через набор отверстий. Когда благодаря гидравлическому приводу, вращающийся решетка открывается, и пепел попадает в два зольных бункера. Каждый зольный бункер имеет два параллельных шнека, чтобы сбросить золу в зольный бункер.

4. Синтез-газ. Синтез-газ выходит из газогенератора при 260–370 °C. Синтез-газ можно сжигать в моноблочном окислителе с получением дымовых газов, направляемых к оборудованию, генерирующему тепловую энергию (например, котлы, тепловые масляные обогреватели, воздухвоздух теплообменники), или синтез-газ сжигается непосредственно в промышленных котлах или печах, или очищается для использования в ДВС или образования более дорогих газов и химических веществ.

Биогаз, представляющий собой преимущественно смесь метана и двуокиси углерода, производится как в естественных, так и в искусственных условиях. Однако с технико-экономической точки зрения, производство биогаза в искусственных системах представляет собой лучший и наиболее удобный метод. Одним из определяющих требований для производства биогаза является наличие герметичного контейнера. Биогаз может быть получен только в анаэробных условиях. Герметичный контейнер, используемый для производства биогаза в искусственных условиях, называется дайджестер (метантенк) или реактор.

Рис. 9-25. Газоэлектрогенератор GM, мощностью 21000 Вт, использующий генераторный газ.[9-11].

9.6. Оборудование для производства биоэтанола

Рис. 9-26. Схема производства биоэтанола из кукурузы. [9-12].

Биогазовая установка (БУ) представляет собой герметичный контейнер, который обеспечивает процесс ферментации органических материалов в анаэробных условиях. Другими названиями может быть «Биогазовый Дайджестер», «Биогазовый Реактор», «Метановый Генератор», «Метановый Реактор». Биогаз собирается в верхней части метантенка. В некоторых БУ имеются плавающие газгольдеры для сбора биогаза, в других для этого предусмотрена отдельная камера. Из метантенка сброженный жидкий остаток удаляется (часто автоматически) по выпускным трубопроводам.

Рис. 9-27.Технологическая схема осахаривания целлюлозы/гемицеллюлозы[9-13].

Рис. 9-28. Завод по производству биоэтанола, г. Йорк, ш. Небраска, США.[14].

Рис. 9-29.Технологическая схема производства биоэтанола из сладкого сорго.[9-15].

9.7. Оборудование для производства биодизельного топлива

Рис. 9-30. Технологическая схема производства биодизельного топлива из растительного масла.[9-16].

Рис. 9-31. Биодизельный завод, внешний вид. [9-17].

Рис. 9-32. Новый биодизель завод Империум в Hoquiam. [9-18].

Рис. 9-33. Биодизельная индустрия. Бытовое топливо[9-19].

9.8. Малые биогазовые установки

Системы для производства биогаза. Устройство биогазовых установок. Компоненты биогазовых установок.

Основными компонентами БУ являются: метантенк (реактор), газгольдер, система загрузки, система выгрузки, смесительная емкость и выпускной газопровод. [9–3].

Рис. 9-34. Биогазовая установка с фиксированным куполом (Непал).

Рис. 9-35. Биогазовая установка с плавающим куполом (Индия).

9.8.1. Метантенк

Представляет собой цилиндрическую или эллипсоидальную конструкцию, в которой происходит процесс сбраживания (ферментации) субстрата. Часто метантенк называют ферментационной емкостью или камерой. В простых БУ для индивидуальных хозяйств, работающих при температуре окружающего воздуха, метантенк рассчитан так, чтобы среднее время пребывания в нем навоза равнялось 55, 40, 30 и 10 дням. Это время называется гидравлическим временем удержания (ГВУ) биогазовой установки. Продолжительность 55, 40, 30 и 10 дней определяется не только температурной зоной страны, но и конструктив-ными особенностями биогазовой установки.

Метантенк может быть построен с помощью кирпичной или каменной кладки, бетона или бетонных блоков, железобетонных или стальных конструкций. Для малых БУ с плавающим газгольдером и объемом от 2 до 3 кубометров внутренний объем метантенка представляет собой одну камеру. Для объема 4 кубометра и более внутри метантенка строится стенка. Это делается для того, чтобы избежать частичной циркуляции субстрата и повысить общую эффективность работы установки. Стенка делит объем метантенка на две половины. Для метаненка с фиксированным куполом разделение объема не используется. Это объясняется тем, что диаметр метантенков с фиксированным куполом обычно больше, чем у моделей с плавающим газгольдером. Поэтому проблема с частичной циркуляцией субстрата не возникает.[3].

9.8.2. Газгольдер или емкость для хранения биогаза

В случае плавающего газгольдера последний представляет собой барабан, сделанный либо из стальных листов, либо железобетона, либо различных видов пластика. Он размещается в верхней части метантенка как крышка, погружаясь боковыми стенками в субстрат. При отсутствии биогаза он стоит на специальных ребрах на стенках метантенка, предусмотренных для этой цели. Газ, образуясь в субстрате и поднимаясь вверх, собирается в барабане. Для подачи газа по трубопроводу к месту использования после открытия клапана, внутри газгольдера необходимо давление 8-10 см водяного столба. Это давление может быть обеспечено весом газгольдера 80-100 кг/м². При движении вверх и вниз газгольдер направляется центральной направляющей трубой. Газ заперт со всех сторон за исключением нижней части. Корка, образующаяся на поверхности, перемешивается с помощью вращения газгольдера, имеющего внутри соответствующее устройство для перемешивания. Объем газгольдера индивидуальной БУ с плавающим газгольдером составляет 50 % суточного производства биогаза. То есть, газгольдер может быть полностью наполнен за 12 часов работы установки.

В случае конструкции с фиксированным куполом газгольдер часто называют камерой для хранения биогаза. В этом случае камера является неотъемлемой частью установки (метантенка) и сделана из тех же материалов, что и метантенк. Объем камеры соответствует 33 % суточного производства биогаза. То есть, камера может быть полностью наполнена за 8 ночных часов, когда биогаз не используется. [9–3].

9.8.3. Система загрузки

В БУ с плавающим газгольдером система загрузки представляет собой трубу, изготовленную из цемента. Труба опускается на дно метантенка и располагается по одну сторону от разделительной стенки (если таковая имеется). Верхняя часть трубы выходит в смесительную емкость. В некоторых случаях (конструкция с фиксированным куполом) система загрузки представляет собой емкость, выполненную из бетона или кирпича, соединенную в верхней части со смесительной емкостью, а в нижней – с впускным отверстием метантенка. [9–3].

9.8.4. Система выгрузки

В случае БУ с плавающим газгольдером система выгрузки сброженного навоза обычно представляет собой бетонную трубу, установленную под углом и погруженную в навозную массу. Иногда система выгрузки представляет собой прямоугольный или полусферический резервуар, соединенный в нижней части с метантенком с помощью выпускного отверстия, через которое автоматически удаляется сброженная масса. Верхняя часть резервуара накрыта крышкой.

Классификация биогазовых установок (БУ)

Малые биогазовые установки можно условно разделить на:

• БУ с плавающим газгольдером,

• БУ с твердым куполом,

• БУ с отдельным газгольдером и

• БУ с мягким газгольдером. [9–3].

9.8.5. БУ с плавающим газгольдером

Такая конструкция для Индии и представляет собой систему с полупостоянной загрузкой сырья. Обычно в ней используется газгольдер цилиндрической формы, плавающий в метантенке, имеющем соответствующую форму. Биогаз накапливается в газгольдере при давлении 8-10 см водяного столба. Объем газгольдера вмещает половину суточного количества биогаза. Если биогаз не используется регулярно, его излишки будут попадать в атмосферу, проникая в виде пузырьков газа между нижней кромкой газгольдера и стенками метантенка. [9–3].

9.8.6. БУ с твердым куполом

БУ с твердым куполом характерны для китайских крестьянских БУ. Китайские БУ используют в качестве сырья сезонные отходы растениеводства, фекалии домашних животных (свиней), человеческие фекалии и другие отходы домоводства. и по этой причине основаны на принципе полупорционной загрузки.

Индийские БУ отличаются от китайских, поскольку в Индии основным источником сырья является навоз и, как следствие, используется полупостоянная загрузка. Давление биогаза внутри китайских установок может быть в диапазоне от нуля до 150 см водяного столба. Обычно давление контролируется с помощью простого манометра, установленного на выходной трубе недалеко от места утилизации биогаза. В индийских установках давление может изменяться в пределах от нуля до 90 см водяного столба.[9–3].

9.8.7. БУ с отдельным газгольдером

Метантенк такой установки представляет собой герметичную емкость. Выходное отверстие для биогаза находится в верхней части метантенка и соединено с помощью трубопровода с плавающим газгольдером, расположенным на определенном расстоянии от метантенка. Таким образом, внутри метантенка нет избыточного давления, в результате чего снижена вероятность утечек субстрата в случае негерметичности основной емкости установки. Другим преимуществом такой системы является возможность подключения нескольких метантенков к одному большому газгольдеру, построенному в непосредственной близости от места использования биогаза. Недостатком является относительная дороговизна. Обычно общий газгольдер используется для подключения нескольких метантенков с полупорционной загрузкой. Такие БУ полной заводской готовности производились в РФ с 1992 по 2000 годы. Общее количество 85 комплектов, легко транспортируются любыми видами транспорта и быстро монтируются. [9–3].

9.8.8. БУ с мягким газгольдером

Основная часть такой установки, включая и метантенк (реактор), сделана из резины, плотного пластика или неопрена. Входная и выходная трубы для сырья и сброженной массы изготовлены из поливинилхлорида (ПВХ). Подобная же труба меньшего диаметра используется для выпуска биогаза. Такая установка легко перевозится и просто устанавливается. При установке та часть, в которой будет сбраживаемый субстрат, должна поддерживаться снаружи. Обычно БУ помещают в специальную емкость, углубленную в грунт. Глубина емкости соответствует при этом глубине реактора. Таким образом, уровень сбраживаемой массы соответствует уровню грунта. Для того, чтобы создать избыточное давление в газгольдере, на нем размещается специальный груз. Преимуществом такой установки является возможность серийного производства. Недостатком является относительная дороговизна пластика и резины хорошего качества. Более того, продолжительность эксплуатации такой установки меньше, чем у обычных биогазовых установок. Поэтому, несмотря на хороший потенциал, подобные биогазовые установки пока не получили широкого распространения [3].

Рис. 9-36. Внешний вид самого крупного биогазового парка (Померания, ФРГ).

Самый крупный в мире биогазовый парк расположен в федеральной земле Мекленбург – Померания (Mecklenburg-Vorpommern) на окраине небольшого города Гюстров (G?strow). Строительство данного парка под названием Nawaro Bio-Energie Park G?strow стартовало в 2009 г., а через полтора года, в 2010 г. парк заработал на полную мощность. Величина инвестиций составила 100 млн. евро, число занятых на сданном в эксплуатацию объекте – 100 человек. Название парка содержит наименование фирмы разработчика и подрядчика, осуществлявшей полный контроль всех работ – NAWARO BioEnergie AG, входящей в инжиниринговый концерн NAWARO. Поставки оборудования, средств автоматизации и др. осуществляли более 20 фирм из Германии. [9-20].

Рис. 9-37. Фермерские масштабные биогазовые установки (ФРГ) / Рис. 9-38. Промышленные биогазовые станции.

Рис. 9-39. Газоэлектрогенератор TCG 2016 мощностью от 400 до 800 кВт, используют любой газ: природный, биогаз, лендфил-газ, канализационный газ, шахтный газ, син-газ и др.

Такие генераторы главным образом используются для биогазовых и ТЭЦ в Европе. Наивысшая электрическая мощность – 1000 кВт. В мире эксплуатируется до 1900 таких генераторов общей мощностью один млн. кВт.

Рис. 9-40. Биогазовая станция в Китае.

Рис. 9-41. Карта расположения биогазовых станций в Соединенном королевстве [9-21].

Рис. 9-42. Биогазовый электрогенератор, мощность 600 кВт производитель [9-22].

Рис. 9-43. Биогазовая станция компании Diamond Energy [9-23].

Рис. 9-44. Карта распределения биогазовых станций в ЕС.-2007 [9-24].

Рис. 9-45. Карта размещения биогазовых станций и установок в Великобритании.[9-31].

Рис. 9-46. Карта биогазовых станций в Польше.[9-25].

Рис. 9-47. Карта расположения биогазовых станций в Земле Шлезвиг-Гольштейн (ФРГ) [9-26].

9.9. Когенерационные электрогенераторы

Рис. 9-48. Когенерационные электрогенераторы марки 8ДК-36 и 12ДК-36 [9-27].

Рис. 9-49. Схема когенерационного электрогенератора в разрезе. [9-28].

Рис. 9-50. Когенерационный электрогенератор фирмы Зоргбиогаз. [9-29]

Рис. 9-51. Передвижная Биогаз-когенерационная установка [9-30].

Литература

9-1.RUF и производство топливных брикетов

9–2.Briketnyj_press_RUF_LIGNUM., www.zet.spb.ru.

9-3.Биомасса(энергия биомассы).

9-4.Что такое пеллетные котлы

9-5.Преимущества твердотопливных котлов на пеллетах., www.science-award.siemens.ru.

9-6.Experiences in Europe and List of Biomass Co-firing Plants., www.eubia.org.

9-7.Biomass Power Plants in the USA – Other States., www.industcards.com.

9-8.New Gas for CHP Plants., www.renewcanada.net.

9-9.Газотурбогенератор, использующий генераторный газ из биомассы, www.fortune-group.en.made-in-china.com.

9-10.Nexterra – Renewable Energy and Fuels from Waste., www.nexterra.ca.

9-11.Газоэлектрогенератор GM, использующий генераторный газ. www. Biomass Gasification and Pellet Millsstakproperties.com.

9-12.Схема производства биоэтанола из кукурузы., www.MHV Corn Ethanol bio-process.com.

9-13.Best Kept Secret in the Ethanol Industry: BlueFire Ethanol (BFRE)www.seekingalpha.com.

9-14.Production Methods Summary www.greener-industry.org.uk.

9-15.Sweet sorghum R&D at the Nimbkar Agricultural Research Institute (NARI) www.nariphaltan.org.

9-16.Biodiesel Making Equipment www.home-made-biodiesel.com.

9-17.NORRES – BIO DIESEL PLANTwww.norres.net.

9-18.Биодизельный завод., www.komonews.com.

9-19.Biodiesel Industry Update – Domestic Fuel www domesticfuel.com.

9-20.Самые крупные биогазовые станции в мире.,

www.agropraktik.ru.

9-21.CR4 – Thread: Methane Gas as a Fuel

9-22.600kw Soundproof Biogas Power Generation Plant,Biogas Power Generation.,

www.sd-generator.en.made-in-china.com.

9-23.Tatura Biogas Plant.,www.diamondenergy.com.au.

9-24. The map of Biogas production capacity., www.tankonyvtar.hu.

9-25. Agricultural biogas plants in Poland: Investment process, economical and environmental aspects, biogas potential., www.sciencedirect.com.

9-26. Biomasse-Anlagen in Schleswig-Holstein., www.biomasse-

sh.de.

9-27. Daihatsu Diesel, POWER PLANT & CO – GENERATION SYSTEM.,|

9-28. Aegen Heat and Power Cogeneration Systems.,

www.aegisenergyservices.

com.

9-29. www.zorg-biogas.com.

9-30. chp.jpgwww.energychoice.com.

9-31. Map of UK biogas plants., www.recyclingportal.eu.

Глава 10. Состояние и развитие биоэнергетики в мире

10.1.Запасы, производство и потребление нефти по странам мира

Самые большие запасы нефти – около 25 % всех мировых запасов – находятся на территории Саудовской Аравии. Доказанные запасы нефти в данной стране составляют более 35 млрд. тонн. Ирак является второй по величине нефтяных запасов страной в мире. Объем его доказанных запасов составляет около 16 млрд. т нефти (11 % общемировых), прогнозных – по разным оценкам, от 30 до 40 млрд. т. Основными месторождениями страны являются Меджнун с доказанными запасами около 3 млрд. т нефти, Западная Курна (2,4 млрд. т), Восточный Багдад (1,5 млрд. т) и Киркук (1,4 млрд. т). Доказанные запасы нефти в России составляют примерно 5,5 % мирового – око-ло 8 млрд. тонн, в США – около 4 млрд. тонн (2,2 % общемировых).

10.2. Вклад биомассы в мировое производство энергии

Вклад биомассы в 2001 году составлял 1.1–1.2 млрд. тонн нефтяного эквивалента (н. э.) при общем вкладе всех ВИЭ – 1.36 млрд. тонн н. э. при общем производстве энергии в мире – 10 млрд. тонн н. э. [10-1].

К 2040 году общее потребление энергии в мире прогнозируется на уровне 13.5 млрд. тонн н. э. (100 %), вклад всех ВИЭ к этому периоду – 47,7 % или 6.44 млрд. тонн н. э., тогда как вклад биомассы составит 23,8 % или 3.21 млрд. тонн н. э.[10-2].

В последние годы в опубликованных многочисленных глобальных энергетических сценариях была включена устойчивая роль возобновляемой энергетики для энергетической обеспеченности, и вклад биомассы для этих целей может составить: от 59 до 145 х 10¹⁸дж к 2025 году и от 94 до 280 х 10¹⁸дж к 2050 г.

К 2010 году этот вклад должен был увеличиться до 12 % (25 стран ЕС). В 2000 году мировой рынок биотоплив оценивался в сумме 866 миллионов долл. США. В 2004 году он составил 1.28 млрд долл. И к 2013 году – 2.14 млрд. долл. США.

В развивающихся странах биомасса является главным источником энергии для многих ремесленников и малых производств: хлебопечение, пивоварение, текстильная мануфактура, производства табака, кофе, чая, копченостей, кирпича и т. п. В Азии около 20 % регионов используют дрова в сельскохозяйственном производстве и при переработке сельхозпродуктов. Древесный уголь применяется при производстве железа, стали, цемента и т. д. В Бразилии для тяжелой промышленности требуется ежегодно свыше 6 млн т древесного угля и для получения топлива и энергии эффективно используется багасса. Оценка энергетического потенциала остатков багассы после обеспечения всей энергии, необходимой для сахарного производства и получения этанола, составляет 6 000 МВт. В 1995 г. имелось 12 заводов мощностью 114,8 МВт по производству спирта, использующих багассу.

В Индии программа децентрализации производства энергии, инициированная в 1995 г., обеспечила поддержку проектов по производству энергии мощностью от 10 до 15 МВт в малых сельских общинах. Предусматривалось на период 1970–2000 гг. выполнить проекты установок общей мощностью 500 МВт. Проект включал в себя создание около 1600 систем газификации мощностью 16 МВт главным образом для получения электроэнергии в сельской местности. Для Индии потенциальные возможности использования багассы оцениваются в пределах 2 800…5 100 МВт.

В Китае к 2010 г. планировалось создание станции мощностью 300 МВт по газификации багассы, соломы и опилок.

В США реализуются проекты: 1) государственной электростанции на Гавайях (сжигание багассы в псевдоожиженном слое) мощностью 3…5 МВт и 2) электростанции в штате Вермонт мощностью 45 МВт, работающей на древесной щепе.

Страны Европейского Союза (ЕС) также активно размещают системы газификации биомассы. В 1990 г. их мощность составляла 15 МВт. к 2000 г. пларовалось довести эти мощности до 20…30 МВт, а к 2005 г. до 50…80 МВт.

В ЕС активно совершенствуются энергоконвертирующие системы с учетом их экологической безопасности. В Австрии имеется около 100 местных современных топливных систем мощностью 1 200 МВт. Различные системы газификации и газотурбинных комбинированных циклов мощностью 6 МВт электрических и 9 МВт тепловых созданы и создаются в Швеции (местечко Варнамо). Ежегодное использование биотоплива оценивается в 42 10.15 Дж.

В последние годы вновь повысился интерес к биотопливам, особенно к этиловому спирту. Ведущими странами по его производству и топливному использованию являются Бразилия и США.

Бразильская программа по использованию этанола – наиболее масштабная в мире – начала действовать с 1975 г. В настоящее время

Бразилия ежедневно замещает этанолом до 31800 т импортируемой нефти.

Заметно вырос интерес к биотопливу в США – втором мировом лидере по масштабному производству этанола для нужд автотранспорта. Предусматривается дальнейшая экспансия, так как этанол входит в октановый рынок, и как «чёстое» топливо производится теперь в 21 штате; этанол-бензиновая смесь (газо-хол) составляет 10 % топливного рынка США и используется более чем в 100 млн двигателей. По данным General Energetic Council (GEC) в 2005 г. около 5 млн автомобилей использовали этанол как нефтяное топливо.

Департамент энергетики США планирует получать этанол из биогидролизатов (ферментное расщепление целлюлозы) древесины при стоимости 0,79 долл. за галлон (0,2 долл. за 1 л) в 2005 г. и 0,56 долл. за галлон (0,14 долл. за 1 л) в 2030 г., а также к 2005 г. увеличить его производство методом ферментативного гидролиза до 9 млрд л и к 2030 г. довести его до 85 млрд л.

К другой группе жидких биотоплив, вызывающих коммерческий интерес в США, Канаде и ЕС, относится биодизельное топливо.

Широкомасштабное коммерческое производство биодизельного топлива из рапса уже начато: в Австрии оно составляет 3 % общего рынка дизельного топлива при наличии производственных мощностей до 30 тыс. т/год; во Франции эти мощности составляют до 20 тыс. т/год; в Италии в ближайшие годы планируется создание мощности по производству биодизельного топлива в объеме 60 тыс. т/год.

В США этой проблемой занимается специально созданный национальный биодизельный совет по коммерциализации и индустриализации биодизельного топлива. Планируется на 20 % заменить обычное дизельное топливо биодизельным и использовать его на морских судах, городских автобусах и в малой индустрии.

Несмотря на увеличивающийся интерес к биодизельному топливу, его рынок пока еще ограничен из-за высоких цен и требований к растительным пищевым маслам. Но этот вид топлива может играть важную роль в сельских районах разных стран.[10-3].

10.3. Концепция развития биоэнергетики в Украине

Использование ВИЭ в Украине составляет на сегодняшний день 5.6 млн т у.т., что эквивалентно 2.8 % ОППЭ. Из всех ВИЭ доля биомассы является наибольшей после большой гидроэнергетики – около 18 % (табл. 10-1). В 2001 г. из биомассы, в основном древесных отходов, было произведено 29 ПДж тепловой энергии, что составляло 0.5 % ОППЭ. [10-4].

Таблица. 10-1

Вклад различных ВИЭ в производство энергии в Украине (2001 г.)

В Таблице 10-2 представлена структура энергетического потенциала биомассы, основанная на вероятной и оптимистической оценке. Согласно оптимистическому прогнозу, общий потенциал биомассы, доступный для энергетического использования в Украине, составляет 17.6 млн т у.т., вероятный прогноз дает 10.6 млн т у.т. В обоих случаях основную часть потенциала составляют отходы сельского хозяйства (солома, стебли, лузга и т. п.

Биомасса (без доли, используемой другими секторами экономики) может обеспечить 5.3–8.8 % общей потребности Украины в первичной энергии (с учетом различных оценок энергетического потенциала биомассы). Технологии утилизации биомассы находятся в начале своего развития в Украине и имеют хорошие перспективы коммерциализации в ближайшем будущем.[4]. Согласно рабочему варианту "Энергетическая стратегия Украины на период до 2030 г. и дальнейшую перспективу" доля биомассы в ОППЭ составит 3.4 % (2.7 млн т у.т.) в 2010 г., 7.8 % (6.3 млн т у.т.) в 2020 г. и 12.6 % (9.2 млн т у.т.) в 2030 г. (Таблица 10-3).

При разработке концепции развития биоэнергетики в Украине за основу была принята концепция Дании и вероятная оценка энергетического потенциала биомассы в Украине. Обе страны имеют относительно малую территорию, покрытую лесом (около 14 %) и высокоразвитый сельскохозяйственный сектор, что приводит к подобной структуре потенциала биомассы в них.

Для Украины с ее большим потенциалом сельскохозяйственных земель очень перспективным является организация специальных энергетических плантаций быстрого оборота (ива, тополь, мискантус и др.). Привлечение биомассы, специально выращенной на землях, которые сейчас не используются или используются неэффективно в Украине, приведет к повышению доли биомассы в энергетическом балансе страны до 20–25 %. [10-4].

В Украине наиболее перспективными для коммерческого использования в ближайшие годы можно считать следующие технологии:

• промышленные древесносжигающие котлы мощностью 0,1–5 МВт для установки в гослесхозах и на деревообрабатывающих комбинатах;

• древесносжигающие станции централизованного теплоснабжения (ЦТ) мощностью 1-10 МВт;

• соломосжигающие фермерские котлы и котлы для малых теплосетей мощностью 0,1–1 МВт;

• соломосжигающие станции ЦТ мощностью 1-10 МВт;

• биогазовые установки для крупных ферм КРС, свиноферм, птицефабрик и предприятий пищевой промышленности;

• установки добычи и использования биогаза с полигонов ТБО в миниэлектростанциях мощностью 0,5–5 МВт.

Таблица. 10-2

Энергетический потенциал биомассы в Украине (данные 2001 г.)

*) W – массовая влажность

Таблица 10-3

Использование ВИЭ в Украине согласно "Энергетической стратегии Украины на период до 2030 г. и дальнейшую перспективу". [10-4].

Приоритетного развития в Украине требуют технологии прямого сжигания древесины, в первую очередь для производства тепловой энергии. Внедрение миниэлектростанций и мини-ТЭЦ, сжигающих твердую биомассу (древесину, солому, лузгу), будет рентабельным в случае значительного роста цен на электроэнергию или в случае субсидирования. Получение тепловой энергии из биомассы является экономически рентабельным.[10-4].

Технологии сжигания соломы являются очень перспективными для Украины. Широкое распространение этих технологий требует решения ряда вопросов организации сбора, прессования тюков, транспортировки и хранения соломы. Крупные биогазовые установки также играют важную роль в концепции. Их широкое внедрение возможно на свинофермах с поголовьем более 5 тыс., фермах крупного рогатого скота (КРС) с поголовьем более 600 голов, птицефабриках и предприятиях пищевой промышленности. По оценкам экспертов, в Украине может быть сооружено 2903 биогазовых установки со средним объемом метантенка 1000 м³, включая 295 установок на свинофермах, 130 – на птицефабриках и 2478 – на фермах КРС и предприятиях пищевой промышленности.

Использование биогаза с полигонов ТБО является наиболее прибыльным на промышленных предприятиях, расположенных неподалеку от самих полигонов. Производство жидких топлив из биомассы маловероятно в Украине в ближайшее время, так как их себестоимость получается значительно выше стоимости традиционных жидких топлив. То же самое можно сказать о технологиях быстрого пиролиза и газификации биомассы.

В случае реализации предложенной концепции общая установленная мощность будет составлять 9071 МВт_т и 415 МВт_э. Это приведет к замещению 6.7 млн т у.т./год и снижению выбросов парниковых газов на 34 млн т/год СО₂-эквивалента. Развитие биоэнергетических технологий уменьшит зависимость Украины от импортированных энергоносителей, повысит ее энергетическую безопасность за счет организации энергоснабжения на базе местных возобновляемых ресурсов, создаст значительное количество новых рабочих мест (преимущественно в сельских районах), внесет большой вклад в улучшение экологической ситуации.[4]. В утвержденной Верховной Радой Украины в 1996 г. Национальной энергетической программе Украины на период до 2010 г. предусмотривалось покрытие 10 % потребностей народного хозяйства в энергии за счет нетрадиционных возобновляемых и других источников энергии. В 2000 г. актуальность этого пункта Программы была подтверждена в Рекомендациях парламентских слушаний относительно «Энергетической политики Украины». Если ориентироваться на опыт стран ЕС (где доля биомассы составляет 60 % всех ВИЭ), биомасса может покрывать около 6 % потребностей народного хозяйства Украины в энергии. Этот показатель хорошо стыкуется с данными представленной концепции развития биоэнергетики в Украине. Для решения целого комплекса вопросов, связанных с развитием биоэнергетики в Украине, считаем необходимым создание в ближайшее время Государственной научно-технической программы развития биоэнергетики Украины. [10-4]. Использование энергии биомассы в Украине находится в зачаточном состоянии, хотя условия для ее освоения достаточно благоприятны. Поэтому вполне естественным представляется формирование весной текущего года целевой комплексной программы научных исследований НАН Украины «Биомасса как топливное сырье» («Биотоплива»). Ряд украинских экспертов видят единственно возможный путь использования биомассы для автотранспорта, или использование западного «традиционного» варианта.[10-4].

10.4. Передовая украинская технология производства биотоплива из водорослей

Технологии производства биотопливо из микроводорослей выходят на промышленную основу в США, Великобритании, Нидерландах, Украине, Испании и других странах. Замечательно то, что этими инновациями стали активно заниматься крупнейные энергокомпании, такие например, как Chevron.[10-5].

В Европе создана European Algae Biomass Association. При этом для ускорения роста водорослей используется промышленный углекислый газ. За счет этого и других новшеств на Украине процент получения синтетического топлива в фитобиореакторах достиг 70 % против 30 % в других странах, а рентабельность производства достигает 98 %. При этом получаемые биокрекингом высококачественные фракции синтетической нефти (бензин, керосин, дизтопливо) можно использовать в любых двигателях внутреннего сгорания. Получаемое топливо сертифицировано в США. Для фотосинтеза используются светодиодные лампы специального спектра. Технология полностью безотходна и энергетически автономна.[10-6].

Разработанный компанией ООО «БИОДИЗЕЛЬДНЕПР» способ культивирования водорослей позволяет упростить технологию получения биомассы, так как исключает закупку, доставку и предварительную подготовку CO₂ и других веществ, необходимых для выращивания водорослей. При минимальных производственных и материальных затратах данных способ культивирования водорослей позволяет с легкостью получить высококачественный синтез-бензин (ГОСТ), синтез-дизель (ГОСТ) или синтез-керосин.[10-7]]. Низкое потребление энергии оборудования обеспечивается благодаря использованию дизельгенератора. Он служит не только источником энергии, но и CO₂, NO2 и некоторых других элементов. Дизельгенератор работает на масле из водорослей, растительных маслах, биодизеле, биогазе из водорослей благодаря чему полученный на выходе CO₂ является более чистым, а получение его является экономически рентабельным. Этот способ культивирования водорослей позволяет упростить технологию получения биомассы, так как исключает закупку, доставку и предварительную подготовку CO₂ и других веществ, необходимых для выращивания водорослей.

Особенностью технологии является параллельное выращивание и переработка в биогаз эйхорнии. При этом в процессе переработке биогаза получается метан, CO₂ и биогумус. Эйхорния сбраживается в метатенке, а газ накапливается в газгольдерах.[10-8].

10.5. Производство биотоплива из эйхорнии [10-9]

Новая технология позволяет путём биокаталитического крекинга получать синтетические нефтепродукты очень высокого качества из биомассы водорослей. Технологический процесс использует только экологически чистые компоненты и, поэтому, полностью исключаются выбросы во внешнюю среду любых опасных и других загрязняющих среду продуктов. Технология основана на культивировании растения Эйхорнии в специально разработанных и предназначенных для этого бассейнах. В отличие от других схем получения биотоплива, данная технология позволяет преобразовывать всю биомассу в высококачественное топливо, которое подтверждено сертификатами качества США и Евразии. В результате быстрого биокаткрекинга биомассы водорослей без доступа кислорода, образуются твёрдые, жидкие и газообразные горючие продукты. Топливо, полученное в результате перегонки биомассы, можно использовать в любых двигателях внутреннего сгорания. Данная технология представляет собой полностью безотходное производство топлива из возобновляемого источника (водорослевой массы). Производство синтетического топлива в замкнутом цикле является одной из наиболее перспективных технологий в альтернативной энергетике. Оборудование отличается своей простотой в эксплуатации, высокой продуктивностью, а так же, благодаря новым технологическим разработкам, обеспечивается высокое качество получаемых продуктов.

10.5.1. Китай инвестирует производство биоэтанола в Украине [10–10]

Китайские инвесторы вложат $120 млн. в производство биотоплива. Сумские власти сообщили, что местный спиртзавод в Конотопском районе заинтересовал китайских инвесторов. Инвесторы готовы перепрофилировать спиртзавод на производство биоэтанола. У китайских инвесторов есть целая масштабная программа модернизации спиртовых заводов в Украине с переводом их на производство биоэтанола.

Сейчас в Украине рынок биотоплива ограничен его востребованностью со стороны потребителей. В тоже время, государство планирует стимулировать его развитие и ввести законодательную норму об использовании в нефтяном топливе 10 % биодобавок. Доля присадок из возобновляемых источников энергии в этих топливах составляет более 30 %. Завод в селе Поповка Конотопского района производит 30 тонн спирта ежедневно. Он обеспечивает рабочими местами 70 жителей села. С приходом инвестора завод сможет увеличить объемы производства и создать новые рабочие места. Общее производство биоэтанола в Украине в прошлом году составило около 30 тыс. т. В 2011 году в Украине ряд предприятий начали производство биоэтанола. В частности, возобновил свою работу «Будыльский экспериментальный спиртзавод». Кроме этого, ряд розничных сетей преимущественно на востоке Украины начали реализацию бензинов с биоэтанольными добавками – «Луганскнефтепродукт», ООО «Азовская нефтяная компания».

10.6. Развитие биоэнергетики в США

Почему США, добывающие собственной нефти столько же сколько РОССИЯ, активно развивают биотопливную промышленность, особенно в интересах пентагона?

10.6.1. Рынок нефти в США

США импортируют примерно 55 % общего объема потребления нефти и 45 % добывают самостоятельно. Основными странами экспортерами нефти в США являются Саудовская Аравия – 1,66 млн. баррелей в день, Венесуэла – 1,54, Мексика – 1,42, Нигерия – 86, Ирак – 78, Норвегия -33, Ангола – 32, Великобритания – 31. Таким образом, примерно 30 % импортируемой в США нефти и 15 % от общего объема потребления нефти в США – нефть арабского происхождения. По оценкам экспертов, стратегические запасы нефти в США составляют 658 млн. баррелей. Для сравнения в Японии – 321 млн. баррелей, а в Германии – 191 млн. баррелей.

10.6.2. Субсидии на биотопливо в США [10–11]

Субсидии для производства биотоплива были между $ 5,5 млрд. и $ 7,3 млрд. в 2005 году. Эти цифры, как ожидается, значительно возрастут, если нынешняя политика в отношении развития биотоплив сохранится, так как большая часть субсидий на биотопливо связана с эффективностью производства биотоплив, а эффективность растет двузначными темпами.

Считается, что при существующей политике в отрасли биотоплива, в совокупности, получат поддержку на сумму более 92 млрд долларов в течение 2006 – 2012 годах.

США могут полностью прекратить импортировать сырую нефть, перейдя на производство синтетического топлива на основе угля, природного газа и биомассы. К такому выводу пришла исследовательская группа из Принстонского университета, показавшая, что переход на синтезированное топливо станет экономически оправданным уже в ближайшие 30–40 лет.[10–12]

«В США потребление биоэтанола регулируется, в частности, законом о чистом воздухе. А производство поддерживается по-разному: на федеральном уровне – уменьшением на тридцать процентов акцизов на топливо Е10 (с десятипроцентной добавкой этанола), на региональных – субсидиями производителям: пятьдесять центов за литр).» [10–13]

США станут крупнейшим производителем топлива уже в 2013 г. [10–14]

Министерство энергетики США сообщало, что общий объем производства жидких углеводородов и биотоплива в США в 2013 г. должен вырасти до рекордного показателя в 1.45 млн. т в сутки. Аналитики Citibank предсказывают, что к 2020 г. американские нефтяники доведут суточные объемы добычи до 1.78 млн. т, превратив США в "новый Ближний Восток". Однако, в 2013 г. суточная добыча нефти в США сосавила 985 тыс. т. Добыча нефти в США достигла максимального показателя за 20 лет.[10–14].

В мае 2012 г. МЭА опубликовало доклад "Золотые правила золотого века газа", в котором предсказало, что Россия уступит США положение лидера по добыче газа. Согласно прогнозу МЭА, в России в 2035 г. будет добыто 784 млрд куб. м газа, а в США – 821 млрд куб. м. Третьим по значимости производителем газа станет Китай, где добыча голубого топлива в ближайшую четверть века вырастет почти в пять раз.

Одновременно с этим США, по прогнозам МЭА, станут одним из крупнейших экспортеров сжиженного газа. А вот доля России и стран Ближнего Востока в мировой газовой торговле упадет с 45 % в 2010 г. до 35 % в 2035 г. Однако, согласно обновленному прогнозу BP, Россия к 2030 г. все же останется крупнейшим экспортером газа, главным образом за счет увеличения поставок голубого топлива в страны Европы.

10.6.3. США. Нефть, газ, уголь

Исследование, проведенное министерством сельского хозяйства США, показало, что, хотя получение этанола из сахарного тростника и сахарной свеклы может быть эффективным, в перспективе ситуация, скорее всего, изменится. При нынешней цене этанола на американском рынке затраты, в 2,5 раза превышающие стоимость его производства из кукурузы, могут быть оправданы. Однако по мере насыщения рынка более конкурентоспособной продукцией цены неизбежно начнут понижаться, а с ними вместе и эффективность использования сахарного сырья. Согласно прогнозу, к началу следующего года стоимость галлона этанола упадет до 2,50 долл. При таких ценах получать этанол из сахара будет нецелесообразно.

У биотоплива в США проблема в перспективе![10–15].

Рис. 10-1. Ресурсы биомассы в США, тысяча тонн/год.[10–16]. Ещё в 19-м веке родоначальник американского автопрома – Генри Форд сконструировал автомашину, мотор которой работал на этаноле. Конструкторы руководствовались отнюдь не заботой об экологии, они считали, что для двигателей внутреннего сгорания технически и экономически выгодней использовать именно спирт (он же – этанол).

Рис. 10-2. Первый автомобиль Г. Форда на этаноле, 1896 г.[10–18].

И только в восьмидесятых годах минувшего века, США вновь вернулись к активному развитию биоэнергетики.

Рис. 10-3. Карта распределения типов биомассы для производства топлива.[10–17].

10.6.4. Производство биотоплива – удел избранных

Лидером по производству биотоплива и его наиболее массово производимого вида – биоэтанола, являются США. Это вызвано и необходимостью снижения зависимости американского рынка от цены на нефть и наличием соответствующих ресурсных и финансовых возможностей. Американцы в развитии биотоплива пошли по пути «используй то, что под рукой…», выбрав в качестве сырья для производства этанола кукурузу. По производству этой культуры США более чем в два раза опередили своего ближайшего конкурента – Китай, возведя кукуруза в ранг «царицы полей». Правительств США заинтересовало в изготовлении биотоплива крупных и мелких сельхозпроизводителей, массово увеличивающих посевные площади кукурузы и приобретавших оборудование для её переработки в этанол. Этот интерес американских фермеров к производству спирта вполне объясним, ведь власти щедро инвестировали программу по развитию биотоплива, оказывая помощь производителям в виде субсидий в размере 45–51 центов за галлон топлива. Государственная поддержка производства биотоплива вызвала в США буквально фермерский бум, сделав изготовление спирта чрезвычайно выгодным. И немудрено – ведь из одной тонны кукурузы можно получить не менее 108 литров этанола, за который государство выплатит тебе 55 долларов. В итоге, количество биозаводов в США превысило число нефтеперерабатывающих предприятий, построенных за последние четверть века, а производство биотоплива достигло 45 млрд литров. При этом расходы правительства в виде субсидий и налоговых льгот производителям этанола составили около 6 млрд долларов ежегодно.

Рис. 10-4. Производство биоэтанола по штатам США в млн. галлонах в год.[10–19].

Рис. 10-5. Карта работающих (зелёные точки) и строящихся (жёлтые точки) заводов по производству этанола в США.[10–20].

Рис. 10-6. Диаграмма использования кукурузы в США в разных отрослях.[10–21].

В 2012 г. 125 млн. тонн кукурузы было использовано для производства этанола, а также 38.7 млн. тонн возвращаются на кормовой рынок через глютен и барду.

Рис. 10-7 Карта размещения отходов лесопроизводства по штатам США (доступные отходы распила хвойных пород, хвойных пород, распила лиственных пород, лиственных пород) [10–22].

Рис. 10-8. Карта размещения сельскохозяйственных отходов многолетних трав – просо по штатам США.[10–23].

Рис. 10-9. Объем (т/год) сельскохозяйственных остатков различных зерновых культур в США.[10–24].

Рис. 10–10. Биодизель колонки в США [10–25].

10.5. Биодизель из кофейных зерен

Американские химики разработали технологию, которая позволяет получать биотопливо из использованных кофейных зерен. Одной из трудностей для промышленного производства биотоплива является отсутствие дешевого исходного материала, который был бы доступен в большом количестве. В поисках такого материала ученые решили изучить «потенциал» кофе (который является, наверное, самым популярным напитком в США). Кофейные зерна содержат от 10 до 20 процентов масла, то есть, по этому параметру кофе почти не уступает традиционным исходным материалам для производства биотоплива – семенам рапса, кокосовым орехам и соевым бобам.

Удалось разработать технологию, позволившую перерабатывать в биотопливо до 100 процентов масла. Кофейное биотопливо отличалось большей стойкостью по сравнению с аналогами, так как в зернах высоко содержание антиоксидантов. Остающиеся после переработки зерен твердые отходы могут быть использованы, например, в качестве компоста.

По оценкам авторов работы, применение разработанного ими метода только в США может приносить прибыль в размере около восьми миллионов долларов в год. Для проверки того, насколько эти теоретические расчеты соответствуют действительности, ученые намерены открыть маленький завод по переработке зерен.

Ежегодно в мире выращивается около 7,3 миллиарда килограммов кофе, и огромное количество использованных зерен идет на помойку.

Кроме кофе в качестве потенциальных источников топлива ученые пытаются использовать оливковые косточки, лесные отходы и даже виски.[26].

10.6.6. Роль Пентагона в развитии биоэнергетического рынка США

Президент США Барак Обама обнародовал инвестиционную программу стоимостью 510 млн. долл. по разработке биотоплива нового поколения для использования торговым и военно-морским флотом и гражданской и военной авиацией. (25.12.2012)

Программа рассчитана на три года. В ней были задействованы три правительственных департамента – сельского хозяйства, энергетики и ВМФ. Каждое ведомство вложило по 170 млн. долл.

Разработки планировались вести в партнерстве с частным сектором. На каждый доллар государственных средств частные компании вложили, как минимум, один доллар своих инвестиций.

Задача состояла в том, чтобы создать такое биотопливо, которое можно использовать, не меняя существующую инфраструктуру хранения, транспортировки и заправки. [10–27].

Интересная информация об использовании биотоплив в Минобороне США опубликована в 2012 г. в обзоре В. Щербакова «Минобороны США повышает эффективность военной машины за счет биотоплива» (2012) [10–28].

«В 2011 году Пентагон опубликовал «Стратегию энергетической безопасности». В марте 2012 года на официальном сайте американского военного ведомства появилась Дорожная карта – уточняющий план обеспечения энергобезопасности Вооруженных сил (ВС) США. Особые надежды возлагаются на Министерство ВМС США. Через четыре года на боевое дежурство намечается отправить авианосную группу, полностью работающую на биотопливе.

В декабре 2011 года министр ВМС и министр сельского хозяйства приняли решение закупить 1700 м³ биотоплива стоимостью 12 миллионов долларов. Это крупнейшая единовременная сделка подобного рода в истории ВС США. Конечно, по сравнению с 4.8 млн. м³ обычного авиационного и корабельного горючего, потребляемого ежегодно американскими ВМС, это ничто. И тем не менее сделан серьезный шаг в направлении повышения энергоэффективности ВС США и развития национального рынка биотоплива.»

«Основная часть законтрактованных Управлением тыла МО США биотоплив была израсходована во время крупного военноморского учения серии RIM-PAC в 2012 г. Биотопливом заправляли боевые корабли самолеты и вертолеты корабельного базирования. Авианосная ударная группа уже получила неофициальное название «зеленая» (Green Strike Group).

Весь объем биотоплива поставили две американские компании. «Дайнэмик Фьюэлс ЭлЭлСи» вырабатывает его из использованного растительного масла и отходов мясной промышленности. «Солазайм» производит биотопливо из водорослей.

При положительных результатах испытаний командование ВМС США продолжит реализацию «зеленой» программы. Тогда в 2016 году корабельная, вероятно, опять авианосная ударная группа, полностью заправленная биотопливом, выйдет на стандартную многомесячную боевую службу. Для этого потребуется 6400 м³ биотопливной смеси для корабельной авиагруппы (смесь биотоплива с «флотским» авиакеросином JP-5) и 12800 м³ смеси для кораблей (со стандартным корабельным топливом НАТО марки F-76).»

«Позеленеть» в среднесрочной перспективе должны ЭМ УРО типа «Арли Берк» (Эскадренные миноносцы типа «Арли Бёрк» (англ. the Arleigh Burke class destroyers) – тип эскадренных миноносцев УРО (с управляемым ракетным оружием) четвёртого поколения.), а в долгосрочной – все потребляющие сегодня нефтепродукты корабли авианосных ударных и амфибийных групп ВМС США. На судах же вспомогательного флота уже к 2015 году планируется довести долю биотоплива до 50 процентов – весьма непростая, как признают американские адмиралы, задача.» [10–28].

Рис. 10–11. Эскадренные миноносцы типа «Арли Бёрк»[10–29].

10.6.7. «Нефтезависимость страшна не только экономически»

Решение Министерства ВМС США приступить к активной фазе внедрения биотоплива укладывается в рамки общенациональной стратегической концепции повышения энергоэффективности (Blueprint for a Secure Energy Fu-ture). Дополнительно к 510 млн. долл. США инвестируемых тремя ранее указанными Департаментами Лесная служба США США объявила о решении выдать гранты на 118 миллионов долларов в целях поиска новых видов сырья для выработки биотоплива. Обама дал указание руководителям Министерств сельского хозяйства, энергетики и ВМС совместными усилиями обеспечить создание на территории США производственной цепочки для выпуска различных типов биотоплива, годного к использованию на кораблях и судах, самолетах и вертолетах, а также в наземных боевых машинах в составе двухкомпонентной топливной смеси или самостоятельно.» (Щербаков)

Полный и безоговорочный успех.

Серьезным этапом осуществления биотопливной программы ВМС США является сертификация различных типов и классов Летательных Аппаратов и кораблей (судов) на возможность использования биотоплива.

Это самолеты F/A-18D пилотажной группы ВМС США Blue Angels, самолет РЭБ ЕА-6В «Проулер», конвертоплан МУ-22 «Оспри», учебно-тренировочный самолет Т-45 «Госхок», вертолет MH-60S «Сихок», беспилотный вертолет MQ-8B «Файр Скаут», моторка типа RHIB, катер типа RCB-X, патрульный катер типа YP, десантный катер типа LCU и др.

Все испытания прошли успешно. Так, например, палубный тактический истребитель F/A-18E «Супер Хорнет» (обозначенный как «Грин Хорнет») развил в ходе 45-минутного испытательного полета скорость М=1,2, используя 50/50 смесь биотоплива из растения камелина (рыжик) и авиакеросина JP-5. Испытание проводилось на Атлантическом испытательном полигоне в присутствии нескольких сотен специалистов и приглашенных чиновников и экспертов, включая министра ВМС Рэя Мэбьюса.

Важность данного испытания обусловлена тем, что F/A-18E/F является в настоящее время основным самолетом тактической авиации ВМС и КМП США и останется таковым и на среднесрочную перспективу. Залив в баки «Супер Хорнетов» биотопливо, ВМС и КМП рассчитывают сэкономить существенные бюджетные средства, расходуемые на обеспечение ГСМ. Кроме того, это первая программа сертификации биотоплива для сверх-звуковых самолетов. После ее успешного завершения флот сможет перейти на изучение возможности использования биотоплива и на других типах ЛА авиации ВМС и КМП.

Во время ночного 17-часового перехода морем из Сан-Диего в Порт-Хьюнеме на корабле EDD 964 использовалась 50/50 смесь биотоплива на основе водорослей и топлива марки F-76. В ходе эксперимента были задействованы один ГТД LM 2500 и два ГТГ 501-K17. На них ушло около 75.7 м³ топливной смеси. В итоге последний из эсминцев УРО типа «Спрюэнс», бывший «Пол Фостер», стал самым крупным на сегодня кораблем, приводившимся в движение биотопливом. Кроме того, это было первое испытание на биотопливе в море ГТД LM 2500, стоящего на многих НК. Испытания признаны полностью успешными. На испытании десантного катера на воздушной подушке типа LCAC был достигнут абсолютный рекорд скорости для надводных кораблей ВМС США, заправленных альтернативным топливом. 50 узлов против предыдущего рекорда 44,5 узла принадлежал катеру типа RCB-X. Одна из целей данного испытания – сопоставить возможности ГЭУ катера при работе на обычном топливе и на смеси биотоплива с дизельным топливом марки F76. Сравнительный анализ показал, что увеличение мощности ГЭУ и ее устойчивая работа при использовании смеси на биотопливе не хуже, чем при использовании обычного топлива.

Испытание ДКАВП типа LCAC стало последним в серии сертификационных испытаний, проводившихся ВМС в рамках подготовки к комплексному учению «зеленой» ударной группы. Все испытания, на которые только в рамках бюджета на 2011 финансовый год было выделено более 10 миллионов долларов, прошли успешно. Теперь Пентагон с нетерпением ожидает результатов летнего учения. Это позволит продолжить реализацию глобального плана снижения зависимости американской военной машины от импорта нефтепродуктов.»[10–28].

10.6.8. Нужен океан водорослей

Пока самая главная проблема при переходе на альтернативные источники энергии – экономическая неоправданность использования биотоплива в ВМС США в нынешних объемах. Так, стоимость прошлогоднего контракта на закупку 450 тысяч галлонов биотоплива – 12 миллионов долларов (около 26,7 доллара за галлон). Почти в пять раз больше стоимости обычного горючего, закупаемого сегодня флотом. И это притом что в данном контракте цена за галлон биотоплива в два раза меньше той, по которой флот закупал его для испытаний в 2009 году.

Один лишь способ снизить цену – заказывать больше биотоплива. «Мы считаем, это единственный путь избавить военных от потенциальной угрозы зависимости от цены на нефть – будь она 150 или 300 долларов за баррель», – заявил весной 2011 года контрадмирал Филип Каллом. Под такое важное для страны дело, отметил Каллом, конгресс даже согласился разрешить Управлению тыла Минобороны США заключать на поставки биотоплива контракты сроком на десять, а не на пять лет, как это разрешено сегодня.

Еще одна проблема связана с выбором для кораблей биотоплива на основе водорослей. Они могут обеспечить производство от 2000 до 5000 галлонов топлива с одного акра площади произрастания в год. Для сравнения: при использовании в процессе получения биотоплива из соевых культур данный показатель равен 50 галлонам, а в случае с пальмовым маслом – 600 галлонам. Водоросли альгае привлекательны и тем, что могут выращиваться вне земель сельхозназначения, а часть из них может расти в морской воде.

Но как произвести биотопливо из альгае в нужных объемах? Даже если посадить альгае в пустыне, туда придется доставлять воду для полива (соленую или сточную) и обеспечивать необходимый температурный режим для произрастания водорослей. Это потребует энергии и финансовых расходов, которые неизбежно будут заложены в стоимость биотоплива.

Выход найден недавно. Предлагается использовать для выращивания альгае систему OMEGA[10–30].

Рис. 10–12. Схема выращивания водорослей по системе OMEGA

Она предусматривает размещение особых модулей, «садков», с водорослями в прибрежных районах и «питание» их сточными водами. В феврале 2011 года НАСА и Министерство ВМС США подписали меморандум о взаимопонимании, предусматривающий сотрудничество в совместной отработке вопросов производства биотоплива на основе водорослей. НАСА вошло в проект не случайно – специалисты агентства подсчитали, что для дальнейшего освоения космоса перспективные космические корабли необходимо будет «питать» альтернативным топливом. Биотопливо из альгае является одним из наиболее привлекательных вариантов.

10.6.9. Счета могут быть не оплачены

На одном из агитационных плакатов ВМС США времен Второй мировой войны командующий ВМС адмирал Эрнест Кинг призывал: «Исполняй свои обязанности, нефть – это боеприпасы» (Stick to your job – oil is ammunition).

Порядка 70 процентов всех нефтепродуктов, необходимых МО США, поступает из-за рубежа. Налицо явная зависимость американской военной машины от импорта нефти. Любые серьезные перебои с ее поставками могут оставить без «крови» эту самую машину и станут смертельно опасной угрозой для Вашингтона.

Неудивительно, что Министерство ВМС США настроено в отношении биотоплива очень решительно. Даже несмотря на то, что авторы недавно опубликованного аналитического отчета корпорации «РЭНД» подвергли определенной критике способы повышения энергоэффективности. Остается подождать лета и результатов выхода в море «зеленой» авианосной ударной группы, но в целом выхода у ВМС просто нет. [10–31].

10.6.10. Пентагон не поскупился на покупку биотоплива [10–32]

Министерство обороны США заключило с компанией Dyna-mic Fuels контракт на поставку 1,7 миллиона литров биотоплива. Как сообщает Defense News, это крупнейшая на данный момент покупка такого вида горючего военными. Сумма сделки составила 12 миллионов долларов, или около 26 долларов за галлон, что в пять раз дороже обычного топлива.

^оль крупная покупка альтернативного топлива позволит Соединенным Штатам снизить зависимость от импорта нефти и дать ощутимый толчок развитию внутреннего рынка биотоплива. Купленное биотопливо будет использоваться для заправки одной из авианосных групп ВМС США. На биотопливо планируется перевести и часть боевых самолетов военно-морских сил.

В настоящее время программа ВМС предусматривает перевод всех кораблей на биотопливо к 2017 году. Эта инициатива в Пентагоне получила название "Великого зеленого флота" (Great Green Fleet). Кроме того, согласно планам руководства ВМС США, доля альтернативного горючего в общем объеме потребления топлива военноморскими силами должна быть увеличена до 50 процентов к 2020 году.

В июле 2011 года министерство обороны США объявило, что оно будет закупать биотопливо в больших количествах, но только в том случае, если цены на него снизятся. На тот момент средняя стоимость одного галлона альтернативного топлива составляла 40–50 долларов. По данным Пентагона, использование биотоплива позволит значительно снизить расходы на покупку горючего.

Между тем, ВВС США, как крупнейший военный потребитель топлива, также рассматривают возможность снижения зависимости от традиционных видов горючего. В 2010 году на долю ВВС пришлось 54 процента от общего объема потребления топлива вооруженными силами США; военные за год потратили на покупку топлива восемь миллиардов долларов. Ежегодно военновоздушные силы "сжигают" в среднем 9.5 млн. м³ топлива.

10.6.11. Биотопливо и автотранспорт Минобороны США

Переход военного автотранспорта на биотопливо осуществляется в рамках распоряжения президента США обеспечить сокращение на 28 % выбросов парниковых газов (двуокиси углерода) к 2020 г. и приказа министра ВМС сократить на 50 % потребление флотом нефтяного топлива до 2015 г. Многотопливные автомобили обычно используют Е85 – альтернативное топливо, состоящее из смеси 85 % бензина и 15 % биоэтанола. Ожидается, что помимо экологического эффекта широкое использование этанола позволит снизить зависимость удаленных от США Гавайских островов от импортной нефти. Заправочная станция емкостью 37850 литров для объединенной базы Перл Хабор-Хикем была разработана в сентябре 2010 г. представительством корпорации Innovative Technical Solu-tions, Inc. (ITSI) в Гонолулу, и построена летом 2011 г. Стоимость контракта составила $315 тыс. Станция запущена в эксплуатацию в марте 2012 г.

На объединенной военно-морской и военно-воздушной базе Перл Хабор-Хи-кем (Joint Base Pearl Harbor-Hickam, JBPHH) на Гавайях официально открыли первую из трех биотопливных заправочных станций флота для заправки многотопливных автомобилей биоэтанолом Е85.[10–33].

Переход военного автотранспорта на биотопливо осуществляется в рамках распоряжения президента США обеспечить сокращение на 28 % выбросов парниковых газов (двуокиси углерода) к 2020 г. и приказа министра ВМС Рэя Мабуса сократить на 50 % потребление флотом нефтяного топлива до 2015 г.

10.6.12. Истребители F-16 проверят биотопливом [10–34]

В 2012 г. в США приступили к испытаниям двух истребителей F-16 Figh-ting Falcon на способность выполнять полеты на биотопливе: смесь авиационного топлива JP-8 и биотоплива из рыжика. ВВС США планируют существенно заменить нефтепродукты на биотопливо.

Испытание истребителей F-16 преследует две цели: сертифицировать самолет для выполнения полетов на биотопливе или на смеси обычного горючего и растительного и, что для использования биотоплива не потребуется значительная переделка топливной системы F-16 и доработка двигателей. В рамках программы по сокращению потребления нефтепродуктов ВВС, в частности, намерены к 2016 году сократить потребление обычного авиагорючего в два раза, увеличив потребление биотоплива. Такая мера позволит наносить меньше вреда экологии и существенно экономить на расходах на топливо.

В рамках программы по переходу на биотопливо сертификацию уже прошли штурмовик A-10 Thunderbolt II, истребитель F/A-18 Super Hornet, многоцелевой вертолет MH-60S Seahawk и транспортник C-17 Globemaster III. В марте 2011 года прошли испытания истребителей F-22 на биотопливе.

ВМС США объявили об успешных испытаниях нового топлива, состоящего из смеси нефтяного дизельного горючего и биотоплива из водорослей.[10–35].

Фрегат USS Ford, заправленный 94,6 тысячами литров нового топлива, вышел из порта базирования в г. Эверетт, штат Вашингтон, и его турбины без проблем «переварили» новое горючее.

Смесевое топливо на основе водорослей разработано компанией Solazyme и является частью усилий Пентагона по снижению зависимости от импорта углеводородов.

Для заправки фрегата применили топливо HRD-76, на 100 % полученное из водорослей, смешанное с нефтяным горючим F-76, которое используется в ВМС США. Использование смеси в пропорции 50/50 не требует изменений в причальной инфраструктуре и оборудовании фрегата, в частности, в его турбинах LM2500. При этом эксплуатационные характеристики топливной системы и газотурбинных двигателей остаются теми же, что и при использовании традиционного топлива F-76.

Рис. 10–13. Фрегат USS Ford впервые вышел в море на смеси топлива из нефти и водорослей

Пентагон надеется, что топливо из водорослей обеспечит флот топливными ресурсами без необходимости занимать биотопливными культурами сельскохозяйственную землю, пригодную для производства продуктов питания.

ВМС США уже используют различные виды биотоплива на своих судах и заключают все более крупные контракты на поставку нового типа горючего. Только компания Solazyme недавно завершила поставку более 500 тыс. литров биотоплива, в том числе и микробного происхождения. Компания Dynamic Fuels заключила с ВМС контракт на поставку 1,7 млн литров возобновляемого топлива.

Таким образом, после завершения всех испытаний биотоплива на соответствие военным спецификациям, начались регулярные поставки горючего из возобновляемых источников.

ВМС США испытывает смеси горючего для своих самолетов с 50 % содержанием биотоплива. Если испытания пройдут успешно, то все самолеты армии США будут переводиться на эту смесь. Эти испытания закончились в июня 2012 года. [10–36].

10.6.13. США будет производить биотопливо для авиации и флота [10–37]

ВМС США провели первые летные испытания многоцелевого вертолета Sikorsky MH-60S Seahawk на смеси обычного и биотоплива, сообщает Defense Aerosapce.

Рис. 10–14. Вертолет Sikorsky MH-60S Seahawk на смеси обычного и биотоплива.

Испытания проводились на базе ВМС США Патаксент-Ривер. Подробности о ходе полета машины не приводятся, однако ВМС признали первый полет Seahawk на биотопливе успешным. В баки Seahawk была добавлена смесь из обычного и биотоплива в пропорции один к одному. Биотопливо было получено из семян рыжика, растения семейства капустных, не используемого в пищу. По словам руководителя рабочей группы ВМС по вопросам энергоносителей контр-адмирала Филипа Калома (Philip Cullom), преимущество изготовления биотоплива из рыжика заключается в том, что это растение неприхотливо и его можно выращивать в промышленных масштабах с минимальными затратами. В конце апреля 2010 года ВМС США провели летные испытания истребителя Boeing F/A-18 Super Hornet, заправленного новой топливной смесью. Самолет совершил полет со скоростью 1,2 Маха (1380 километров в час). В общей сложности полет, в ходе которого был использован и форсаж, продлился 45 минут. Испытания были признаны успешными. В октябре 2009 года министр ВМС США Рэй Мабус (Ray Mabus) объявил, что до 2020 года доля неископаемого топлива, используемого военно-морскими силами, должна составлять не менее 50 процентов от общего объема потребления горючего. Согласно планам командования ВМС США, к 2012 году необходимо завершить испытания нового биотоплива и одобрить его использование всеми летательными аппаратами и кораблями военно-морских сил. Следует отметить, что аналогичные испытания проводят и ВВС США, которые используют более сложную топливную смесь – она на 50 процентов состоит из обычного авиакеросина, на 25 процентов – из топлива, полученного путем переработки говяжьего жира, и на 25 процентов – из биотоплива, полученного из переработанного угля. Полеты на такой смеси топлива уже осуществили несколько самолетов, включая военно-транспортный Boeing C-17 Globemaster III. В настоящее время ВВС США занимаются реализацией программы по переводу всех самолетов на новый вид топлива, что позволит военным экономить значительные средства на покупке керосина. ВВС рассчитывают перевести все свои самолеты на биотопливо к 2016 году.[38].

Американские ВВС к 2013 году сертифицируют более сорока моделей, самолетов, стоящих на вооружении, к использованию топлива на основе отходов нефтепереработки и добытых из растений. Об этом заявил помощник заместителя командующего ВВС США Кевин Гейсс. Армия намерена к 2025 году перевести 25 % своей техники на возобновляемые виды топлива. ВМФ хочет довести эту цифру до 50 % к 2020 году, пишет Bloomberg.

При этом американские военные отмечают, что сама привязка военной техники к горючим видам топлива создает значительные проблемы. В частности, такое мнение высказывает командующий ВМФ США Раймонд Мэбус.

Что касается цены на такого рода альтернативное топливо, то Пентагон намерен добиваться его конкурентоспособности по цене с традиционным. Сейчас закупки топлива обходятся американским военным в 8 млрд долларов год. Эксперты говорят, что есть другой вариант снижения стоимости новых видов топлива – создавать большие хранилища и покупать его большими партиями. Армию США устроит биотопливо по цене 3–4 доллара за галлон вместо текущих 10 долларов.

Темы: США, Армии иностранных государств, Нефтегазовый сектор экономики в мире, Министерство обороны США (Пентагон)

Глава 10.6.14. ученые США обнаружили микроводоросль, которая “дала начало” всем современным земным запасам нефти и угля. Исследователи уверены, что она одна стала причиной накопления этих природных ресурсов. [10–39].

Команда исследователей из Университета Кентукки нашла микроводоросль Botryococcus braunii, которая стала основой всех запасов нефти и угля в мире. В настоящее время ученые работают над генетической модификацией этого микроорганизма, который может стать уникальным источником топлива и решить энергетические проблемы Земли.

На фото видно, как сквозь колонию Botryococcus braunii просачиваются произведенные водорослями капли нефти.

Рис. 10–15. Водоросль Botryococcus braunii

“Еще более захватывающим фактом является то, что эта уникальная водоросль существует до сих пор и может быть целью исследований для крупной химической и нефтехимической промышленности”.

Несмотря на проделанную громадную “работу” по созданию современных нефтяных и угольных запасов, Botryococcus braunii растет очень медленно, поэтому в своем естественном виде не очень пригодна в качестве источника для биотоплива. Однако ученые могут использовать гены Botryococcus braunii для создания альтернативных микроорганизмов, которые будут способны к эффективному и быстрому биосинтезу углеводородов.

Использование генов Botryococcus braunii имеет огромные преимущества, так как этот микроорганизм имеет уникальный молекулярный механизм для производства углеводородного сырья. Подобных качеств не имеет ни одна известная бактерия, что, собственно, и доказано огромными запасами нефти и угля, которые сотни миллионов лет назад начала создавать Botryococcus braunii. Перенос уникальных генов водоросли в быстрорастущий неприхотливый организм позволит создавать дешевые и высокоэффективные биореакторы, производящие топливо.

Президент США Барак Обама сообщил о намерении правительства США развивать производство транспортного биотоплива из водорослей. По словам президента, на программу развития отрасли планируется выделить $14 млн. долларов. В США планируют стимулировать отрасль производства биотоплива из водорослей [10–40].

В соответствии с данными Департамента энергетики США, биотопливо для транспорта на основе водорослей способно заместить более 17 % импорта нефти. Более того, водоросли для производства экологически чистого топлива могут выращиваться в прудах, находящихся возле крупных промышленных объектов, где они могут поглощать часть углеродных выбросов, а также усваивать азот и фосфор, которые накапливаются в сточных водах.

Департамент энергетики США планирует рассматривать предложения от представителей малого бизнеса, специализированных университетов и лабораторий по улучшению существующей инфраструктуры и проведения долгосрочных исследований в сфере применения водорослей, которые способствуют реализации проекта производства биотоплива и повышению его конкурентоспособности на рынке.

Основными сферами, входящими в рамки проекта, являются развитие новых методов переработки водорослей, а также поиски способов оптимизации их выращивания, которые позволят наладить производство коммерчески выгодной продукции.[10–41].

This report finds that subsidies to biofuels were between $5.5 billion and $7.3 billion in 2005. Государственные Субсидии США на производство биотоплива составляли более $ 7,3 млрд. в 2005 году… Эти цифры, как ожидалось, должны были значительно вырасти, если нынешняя политика поддержки государством не изменится. Прогнозировалось, что на долю биотопливо будет приходиться менее 5 процентов от общего потребления топлива для транспорта в 2010 году. Эксперты США полагают, что при существующей политике в отрасли биотоплив, в совокупности, получает поддержку на сумму более 92 млрд долларов в течение 2006 – 2012 годах срок.

10.6.15. В США создают новую технологию получения биотоплива. [10–42]

В США ведётся разработка новой технологии получения биологического горючего. На этот раз планируется вырабатывать его из морских водорослей. Министерство энергетики уже предоставило разработчикам финансирование в размере 15 млн долларов.

Рис. 10–16. Выращивание водорослей в цилиндрических биореакторах.

Сообщается, что водоросли, в течение года могут обеспечить до 50 млн тонн сырья для переработки в биотопливо. Органическое масло из водорослей отлично подходит для получения горючего, путём перегонки. Правда, пока технология ещё не доведена до промышленного использования. Этому мешает ряд проблем. Необходимо улучшить методы термохимического сжижения, увеличить срок службы катализаторов биологической массы, повысить стабильность процесса. Кроме того, используемые для переработки водорослей в масло сольвенты очень вредны и сильно загрязняют окружающую среду.

10.6.16. Биотопливо и железнодорожный транспорт в США [10–43]

Рис. 10–17. 6 Марта 2012 Новейшие скоростные поезда на биотопливе избавят американцев от пробок, а атмосферу – от вредных выхлопов!

В марте 2012 г. рекордный пробег на 456 км от Чикаго до Детройта совершил суперсовременный пассажирский поезд, заправляемый альтернативным видом топлива – биодизелем, получаемым в процессе химической переработки растительных и животных жиров. Со средней скоростью в 192 км/час состав преодолел нужное расстояние за два часа 40 минут, сделав лишь одну 10-минутную остановку для посадки новых пассажиров. Введение в эксплуатацию этого поезда – часть масштабной модернизации железных дорог в США. Главные ее цели – разгрузка автомагистралей от пробок, экономия нефти и уменьшение вреда для экологии. Сейчас, например, чикагская железнодорожная система пассажирских поездов, охватывающая десятки городов в радиусе 200 км, в год перевозит в среднем 195 млн. человек. Эксперты предполагают, что после модернизации всей железнодорожной сети США число пассажиров таких скоростных поездов, как «Пуля», увеличится вдвое. Что из этого следует: очевидно, люди, которым приходится ездить на большие расстояния, оставят личные авто и пересядут на такие поезда. А это, в свою очередь, снизит потребность сотен тыс. американцев в бензине. Модернизация железнодорожных путей протяженностью в сотни км, которые ведут к городам северной окраины штата Иллинойс и примыкающим к ним городам штата Висконсин, заканчивается уже сегодня. На очереди – перестройка железнодорожной сети Калифорнии. Там вскоре начнут курсировать скоростные составы. Также удастся избежать выбросов в атмосферу сотен тонн углекислого газа. На реконструкцию калифорнийской железной дороги Белый дом выделил 2,7 млрд. долларов.

Американские власти планируют потратить за три года 510 миллионов долларов на поддержку заводов, выпускающих биотопливо. Горючее планируется использовать на коммерческом, сельскохозяйственном и военном транспорте, пишет Detroit Free Press.

США намерены помогать реконструировать предприятия, производящие биотопливо, а также развивать инфраструктуру возле таких заводов. Кроме того, американский департамент сельского хозяйства готов участвовать в выведении сортов зерновых, которые будут наиболее пригодны для производства горючего.

Как сообщалось ранее, американское правительство выделит 175 миллионов долларов на 40 проектов по разработке технологий, позволяющих снизить потребление топлива автомобилями. Почти треть выделенных средств будет направлено на проекты по разработке и усовершенствованию электрических батарей, 20 процентов – на создание нового вида топлива, 12,5 процента – на изготовление легковесных материалов.

Такие меры станут частью госпрограммы по сокращению импорта нефти в США к 2025 году на одну треть. Для этого к 2016 году средний расход топлива планируется снизить до 6,6 литра на 100 километров, а к 2025-му – до 4,3 литра. Кроме того, в ближийшие десять лет правительство США направит 3,9 миллиарда долларов на популяризацию электрокаров среди населения.

10.7. Субсидии на биотопливо в отдельных странах ОЭСР

Организация экономического сотрудничества и развития) 34 государства. На долю государств-членов ОЭСР приходится около 60 % мирового ВВП.

В настоящем докладе содержится обзор и анализ субсидий на биотопливо в Австралии, Канады, Европейского Союза, Швейцарии и Соединенных Штатов. Она обеспечивает первое всестороннее исследование политики поддержки в странах, которые составляют более 95 процентов производства биотоплива в регионе ОЭСР.

Государства-члены ОЭСР Государства, заинтересованные во вступлении Государства, вовлеченные в сотрудничество.[10–44].

Biofuel Subsidies in Switzerland Глава 10. 8. Европейский Союз. [10-104].

В 2012 году Евросоюз вводит торговлю квотами на парниковые газы, согласно которой перевозчикам придется платить за процент выбросов. Для начала плата составит 16 евро/т (равняется 2–3% стоимости 1 т керосина).

Рис. 10–18. Государства-члены ОЭСР.

Уже к 2050 году 1 т выбросов будет стоить как 1 т керосина. При использовании биотоплива выделяется меньше CO₂, к тому же, его использование освобождает от платы за выбросы. В частности, Lufthansa собирается только за время эксперимента сократить выбросы на 1 500 т.[45].

12 декабря 2012 года страны-члены ЕС в Брюсселе одобрили новую политику Европейского союза в области изменения климата на период после 2012 года, когда истекает срок Киотского протокола. Климатическая политика ЕС предусматривает меры по снижению совокупных выбросов парниковых газов в странах Евросоюза на 20 % к 2020 году по сравнению с уровнем 1990 года.

Разработанный пакет мер, называемый иначе как «20-20-20», также включает в себя задачи по повышению на 20 % от базового года эффективности использования энергоресурсов, расширению до 20 % доли возобновляемых источников энергии, а также на 10 % доли биотоплива в структуре энергопотребления.

10.8. Европейская политика биотоплива

10.8.1. Европейская политика биотоплива

The general EU policy objectives considered most relevant to the design of energy Общие цели политики ЕС, имеющие самое непосредственное отношение к дизайну энергии являются:

(1) конкурентоспособность экономики ЕС,

(2) энергетическая policy are: (1) competitiveness of the EU economy, (2) security of energy supply, and (3) безопасность,

и (3) environmental protection. охраны окружающей среды. All renewable energy policies should be measured by the

Текущую политику ЕС в отношении contributions they make to these goals. альтернативных видов моторного топлива сосредоточить на продвижение биотоплива. [10–46].In a proposed biofuels directive the introduction of a Европейский Союз, развивая и углубляя программу «БИОТОПЛИВА», принял решение о значительном расширении сельскохозяйственных земель под выращивание сырья PARIS: для увеличения производства Биотоплив, предназначенных для частичной компенсации уменьшающихся запасов и нехватки нефти и для замены ископаемых топлив с целью сокращения выбросов парниковых газов.

Европейский Союз прогнозирует довести к 2020 году вклад биотоплив до 10 % от общего объема моторных топлив против 1,6 процента в 2010 году.

ЕС производит два основных вида биотоплива: биоэтанол, который называют "biopetrol" и который зарезервирован для бензиновых двигателей, а также bio-diesels, используемый в дизельных двигателях.

Биодизель гораздо более широко чем этанол используется в Европе: 80 % против 20 %.

Но в будущем планируется изменить это соотношение с появлением автомобилей, оснащенных двигателями на "бигорючем» или «гибкими» двигателями, которые будут использовать максимум 85 % этанола и только 15 % бензина. Biodiesels, known also by the scientific name EMHV (methylic ester of vegetable oil), or diester, are extracted from colza, sun flower oil, soya and palm oils, and mixed with diesel fuels. Биодизель, известный также по научному названию EMHV (метиловый эфира растительного масла), или диэфиром, извлекается из рапса, подсолнечного масла, соевого и пальмового масел, и смешивают с дизельным топливом.

Запланированные мероприятия ЕС в значительной степени являются результатом. спроса со стороны азиатских гигантов, Китая и Индии.

10.8.2. В ЕС повышаются объёмы импорта биодизеля [10–47]

Эксперты рынка Европейского союза отмечают, что в 2011 году в ЕС произошло значительное увеличение объёмов импорта биодизеля.

Согласно оценкам аналитиков, в 2011 году, по сравнению с предыдущим годом, поставки моторного биотоплива выросли на 21 % до 2,52 млн т. Около 1,4 млн. т. импортировано из Аргентины и 830 тыс. т. – из Индонезии и Сингапура. В 2010 году в страны ЕС было импортировано 1,1 млн. т. аргентинской и 516 тыс. т. индонезийской и сингапурской продукции. Основным потребителем импортного биотоплива являлись Италия и Испания.

В 2011 году в Европейском Союзе произошло снижение производства биодизельного топлива почти на 5 % – до 9,07 млн. т. Производители биодизеля в ЕС обеспокоены низкой загруженностью существующих мощностей по выпуску биодизеля. Испанские и итальянские производители выступают на принятие своими правительствами мер по ограничению импорта.

Европейский союз (ЕС) на сегодняшний день крупнейший производитель биодизеля и составляет 82 % от производства биотоплива [10–48].. Производство биодизеля в 2003 году в ЕС-25 было 1504000 тонн из девяти стран (табл.10-4). Германия произвела около 715 000 тонн в 2003 году, Франция производила 357 000 тонн, а Италии производится 273 000 тонн..

Производство биодизеля использует около 1,4 млн. гектаров (га) пахотных земель в ЕС. The

Наиболее важный производитель биодизеля Германия (около 40 % продукции. В ЕС имеется около 40 заводов. В ЕС количество заводов и объемы производства растут довольно быстро. Заводы расположены в основном в Германии, Италии, Австрии, Чешская Республика, Франция и Швеция.

Таблица.10-4

Производство биодизеля в ЕС

Чистое использование биодизельного топлива преобладает в Германии. Производственная мощность в год выросла с 90000 до 1060000 тонн в 2004 году, а продажи достигли 1000000 тонн, что делает Германию крупнейшим производителем биодизеля в Европе. В январе 2004 года было 1800 автобиодизельных заправочных станций. Во Франции производство биодизеля началось в 1992 году. В 2004 году производство составляло 520 000 тонн, что делает Францию второй по величине производитель биодизеля в Европе. В отличие от Германии, во Франции биодизель продается исключительно в виде смеси от 5 % до 30 % биодизеля с ископаемым дизельным топливом… Строительство крупнейшего биодизельного завода в Европе будет завершено в начале 2005 года в Teesside и второго завода в 2006 году мощностью 250 000 тонн биодизеля в год с использованием возобновляемого растительного масла: рапса, пальмового и соевого в качестве сырьевых материалов.[10–48].

Госполитика стала катализатором бурного развития производства биодизеля в ЕС, когда с 2000 по 2007 годы мощности по производству данной продукции увеличились с 3 до 25 млн. тонн. Однако именно изменение госполитики привело к тому, что уже к концу 2008 года производственные мощности в 15 млн. тонн оказались незагруженными. Часть европейских биодизельных предприятий была демонтирована и продана (в основном, в Северную Америку). [49]. ЕС расширило географию поставок биодизеля из различных стран. Так в 2013 г. ожидается увеличение импорта биодизеля на 300 млн литров в год из Перу, Пакистана и Гватемалы. Также возможно увеличение объема поставок этого вида моторного топлива из Бразилии.

10.8.3. Налоговый климат

Борьба с глобальным потеплением, основным виновником которого объявлены выбросы углекислого газа от сжигания углеводородного горючего, в последние годы стала играть важнейшую роль в политике Европейского Союза. Вопросы регулирования энергетической отрасли, промышленности, регионального рынка энергоносителей рассматриваются, прежде всего, через призму климатических факторов.[50].

Европейская энергетика, да и экономика в целом, разворачиваются в сторону приоритетного использования возобновляемых видов энергии и снижения потребления углеводородного ископаемого топлива. Причем скорость этих изменений не слишком устраивает Европейскую комиссию. В частности, до последнего времени в деле стимулирования перехода к "новой" энергетике не был задействован такой мощный инструмент, как налоговая политика. Однако в середине апреля 2011 г. Еврокомиссия сделала первую попытку движения в этом направлении, опубликовав свой проект введения энергетического налога, вернее, двух налогов.

В соответствии с этим проектом, всем странам ЕС к 2023 г. предлагается ввести, во-первых, налог на выбросы углекислого газа, образующегося при сжигании автомобильного горючего и топлива, используемого для отопления, и, во-вторых, налог на содержание энергии в моторном и отопительном топливе, который должен заменить современные налоги и акцизы, взимаемые с физических объемов энергоносителей.

Сама система выглядит следующим образом. Еврокомиссия предложила с 1.01.13 г. облагать налогом, размер которого первоначально определен на уровне не ниже EUR20 за 1 т CO₂, все виды экономической деятельности, приводящие к сжиганию ископаемого топлива, за исключением тех, что уже покрываются системой торговли выбросами (Emissions Trade System, ETS).

Это означает, что налог не будет распространяться на электростанции и крупные промышленные предприятия, которые должны платить за выбросы углекислого газа сверх определенных для них минимумов и квот. Его плательщиками будут домохозяйства и компании непромышленного сектора, использующие ископаемое топливо для отопления либо для перевозок. Нефть и газ, используемые как сырье в технологических процессах (например, в химической промышленности), этим налогом облагаться не будут. Кроме того, не распространяется налог и на биотопливо, хотя при его сжигании, в принципе, также образуется углекислый газ.

Новый налог на выбросы углекислого газа будет дополнять ETS, которая в настоящее время покрывает около 50 % выбросов CO₂, производимого европейскими странами. Ставку налога предлагается периодически пересматривать, чтобы она примерно соответствовала стоимости прав на выбросы углекислого газа, которая в настоящее время определяется посредством торгов на открытом рынке. В начале 2011 г. ее уровень составлял EUR14-17 за 1 т.

Европейские специалисты отмечают, что нынешняя система торговли правами на выбросы весьма несовершенна. Большинство крупных европейских электростанций и промышленных предприятий, на долю которых приходится значительная доля эмиссии парниковых газов, имеют в настоящее время высокие бесплатные квоты на выбросы и яростно сопротивляются попыткам заставить их покупать дополнительные права.

Еврокомиссия одновременно с введением налога на выбросы предлагает ужесточить правила ETS, чтобы заставить промышленников энергичнее снижать объемы эмиссии углекислого газа. Так, к 2020 г. планируется отменить систему налоговых кредитов, которыми могли пользоваться компании, устанавливающие оборудование для сокращения эмиссии, а в дальнейшем постепенно отойти от предоставления крупным компаниям различных льгот.

Кроме того, к 2023 г. налог на выбросы должен распространяться и на электроэнергетику, которая пока может "безнаказанно" сжигать ископаемое топливо. К этому же времени должны быть отменены все льготы и исключения для природного и сжиженного нефтяного газа. Страны-члены будут иметь право освобождать из-под действия налога на выбросы только домохозяйства и неприбыльные благотворительные организации. Также они могут устанавливать национальную ставку налога выше указанного минимального уровня.

Налог на моторное и отопительное топливо предполагает установление сборов исходя из энергетической ценности сжигаемого горючего. Минимальный уровень налога для моторного топлива предлагается установить к 1 января 2018 г. на уровне EUR 9.6 за гигаджоуль, что примерно соответствует 31.5 л бензина, 28 л дизтоплива, 25.5 кг сжиженного нефтяного газа, 22.6 л сжиженного пропана либо около 26 куб м природного газа. Предусмотрен пятилетний переходный период, в течение которого налог на дизельное и газовое горючее будет постепенно поднят до предложенного значения.

Налог на топливо для отопления с 1 января 2013 г. был установлен на уровне не менее EUR0.15 за гигаджоуль. Таким образом, 1 т угля, используемого для этих целей, подорожает примерно на EUR 4.6, 1 тыс. куб м газа – на EUR 5.75, а 1 тыс. печного топлива – на EUR 5.1. В обоих случаях европейские страны имеют право устанавливать свои ставки на уровне, превышающем минимальный. Для этого налога не предусматривается никаких исключений, помимо авиационного и судового топлива, стоимость которых определяется международными конвенциями и соглашениями.

Принятие нового энергетического налога будет способствовать достижению нескольких целей:

Во-первых, в экономике появится реальный стимул для снижения эмиссии CO₂, причем в этот процесс будут вовлечены и те пользователи, на которые ранее не распространялась система торговли правами на выбросы.

Во-вторых, новые налоги будут способствовать достижению большей энергоэффективности и более широкому использованию альтернативных видов энергии. Согласно же новой системе, налог на биоэтанол будет почти на треть ниже, чем на бензин.

В-третьих, принятие этого проекта приведет к единообразию европейской налоговой политики. В настоящее время только в нескольких государствах ЕС есть налоги на выбросы CO₂, а ставки акцизов на горючее значительно варьируются от страны к стране.

В-четвертых, благодаря получению дополнительных доходов от налогообложения топлива европейские страны смогут несколько уменьшить налоги на бизнес, и тем самым будут способствовать ускорению экономического роста и созданию новых рабочих мест.

Изменение "правил игры" потребует существенных затрат, для этого Еврокомиссия предусматривает 10-летний переходный период, который продлится до 2023 г. При этом девяти странам Восточной Европы будет позволено приступить к нововведениям только с 2020 г.

Новая инициатива Европейской комиссии, безусловно, привлекла пристальное внимание "зеленых" активистов, экономистов и промышленников. Однако большинство комментаторов отнеслись к проекту введения энергетического налога без особого энтузиазма.

Наиболее критично к энергетическому налогу настроены европейские автомобилестроители. Дело в том, что в последние 10–20 лет многие страны стимулировали широкое внедрение дизельных двигателей, как более экономичных и эффективных. Цены на дизельное топливо в ЕС заметно ниже, чем на бензин, в том числе вследствие меньшей ставки акциза.

В результате, в Германии по состоянию на 2010 г. 48 % автомобилей имели дизельные двигатели, а в Австрии эта доля достигала даже 60 %. Ими оснащается около половины легковых машин, выпускаемых немецкими компаниями. На дизельном топливе работает практически весь коммерческий транспорт в странах ЕС.

Между тем энергетический налог, предложенный Еврокомиссией, предполагает повышенную ставку именно на дизельное топливо вследствие его более высокой энергетической эффективности. По подсчетам немецкой ассоциации автомобилестроителей (VDA), если в настоящее время акциз на бензин составляет в Германии 64 евроцента за литр, а на дизельное топливо – 47 евроцентов, то в соответствии с новыми правилами, власти, оставив налог на бензин на прежнем уровне, будут вынуждены увеличить сборы с дизтоплива до 75 евроцентов за литр.

Кроме того, существенно возрастет и стоимость газового топлива, которое тоже сейчас стоит в Европе дешевле бензина. По словам европейских бизнесменов, подорожание дизтоплива окажет негативное воздействие на всю отрасль коммерческих автоперевозок и приведет к некоторому повышению цен практически на все товары в ЕС.

Федеральный канцлер Германии Ангела Меркель уже высказалась в поддержку национальных автомобилестроителей, заявив, что вряд ли поддержит энергетический налог в ео нынешнем виде. Ранее Германия возражала против введения общеевропейского налога на выбросы CO₂, что поставило бы в невыгодное положение экономику страны, где очень высокую долю в энергетическом балансе занимает уголь.

Недовольны энергетическим налогом фермеры, поскольку Еврокомиссия предлагает отменить все льготы на горючее, которыми в настоящее время пользуется сельскохозяйственная отрасль. Наконец, некоторые специалисты высказывают опасения, что введение налога будет способствовать тому, что европейские компании ускорят перенесение производственных мощностей из ЕС в страны с более лояльной налоговой и регуляторной политикой.

По словам ряда экспертов, реализация плана Еврокомиссии приведет к ухудшению положения домохозяйств. Так, по некоторым данным, налог на печное топливо в Германии в соответствии с новыми правилами превысит EUR 60 за 1 т по сравнению с около EUR 20 в настоящее время. Из этой суммы немногим более EUR 5.5 за 1 т придется на сборы за энергетическое содержание и порядка EUR 56 за 1 т составит налог на выбросы CO₂.

Кроме того, европейцам придется платить более высокую цену за автомобильное горючее, которое в ЕС и без того весьма дорогое. По мнению специалистов, хотя предложенные Еврокомиссией минимальные ставки энергетического налога ниже, чем нынешние акцизы на бензин, правительства, вероятнее всего, предпочтут выровнять сборы по верхнему пределу.

Поскольку по Лиссабонскому договору новые налоги в ЕС должны вводиться консенсусом, вероятность принятия энергетического налога в ближайшее время минимальна. О намерении наложить вето на эту инициативу сообщила не только Германия, но и Великобритания, принципиально выступающая против каких бы то ни было общеевропейских налогов и отстаивающая права стран ЕС на проведение самостоятельной фискальной политики.

Впрочем, можно предположить, что за первой попыткой Еврокомиссии непременно последуют и новые, вероятно, еще более решительные меры. Многие эксперты, выступающие за усиление борьбы с глобальным потеплением, раскритиковали проект энергетического налога как чересчур "беззубый". Так, по мнению главы неправительственной организации Green Budget Europe Кая Шлегенмильха, чтобы стимулировать инвестиции в технологии, ограничивающие выбросы CO₂, ставка налога должна составлять, по меньшей мере, EUR30 за 1 т.

Ряд других специалистов также полагают, что для стимулирования использования биотоплива и перехода на гибридные автомобили уровень сборов с традиционных видов горючего должен, по меньшей мере, вдвое превышать показатели, указанные в проекте.

Летом текущего года Еврокомиссия обещает обнародовать еще несколько конкретных предложений, направленных на повышение энергоэффективности региональной экономики и сокращение объемов потребления традиционных энергоносителей. Очевидно, несмотря на растущее сопротивление деловых кругов, в Брюсселе не намерены поступаться принципами. Европейская комиссия продолжает настаивать, чтобы цели, поставленные в программе "20-20-20", были достигнуты любой ценой.[10–50].

Во всех европейских странах для поддержки производства и потребления биотоплива снижены те или иные налоги. В частности, в Швеции одна из привлекательных мер – освобождение биоавтомобиля от платы за парковку в центре города. [10–51].

Европейская комиссия поставила задачу использовать к 2020 году альтернативные источники энергии как минимум в 10 % транспортных средств. Есть также промежуточная цель в 5,75 % к 2010 г.

В ноябре 2007 в Великобритании было создано Агентство по возобновляемому топливу (англ. Renewable Fuels Agency), которое должно контролировать введение требований к использованию возобновляемого топлива.

Было рассмотрено непрямое влияние использования биотоплива на производство пищевых продуктов, разнообразие выращиваемых культур, цены на продовольствие и площадь сельскохозяйственных земель. В отчете предлагалось снижение динамики внедрения биотоплива до 0,5 % в год. Цель в 5 процентов таким образом должна быть достигнута не ранее чем в 2013/2014 г., на три года позже, чем было изначально предложено. Более того, дальнейшее внедрение должно быть сопряжено с обязательным требованием к компаниям применять новейшие технологии, ориентированные на топливо второго поколения. [51]. C 1 апреля 2011 года на более чем 300 шведских заправочных станциях можно было приобрести новый дизель. Швеция стала первой страной в мире, где можно заправлять машины экодизелем, сделанным на основе масла шведских сосен.

Экономический эффект

По оценкам Merrill Lynch прекращение производства биотоплив приведёт к росту цен на нефть и бензин на 15 %[10-9].

Потенциал

По оценкам Стэндфордского университета во всём мире из сельскохозяйственного оборота выведено 385–472 миллиона гектаров земли. Выращивание на этих землях сырья для производства биотоплив позволит увеличить долю биотоплив до 8 % в мировом энергетическом балансе. На транспорте доля биотоплив может составить от 10 % до 25 %. [10–52].

Стандарты

В Европе с 1 января 2010 года действует единый стандарт на биотопливо EN-PLUS.

10.9. Развитие биоэнергетики в отдельных странах ЕС

Документ «EU Biofuels Annual 2013» выпущен в конце августа 2013 г. в Гааге. Один из основных моментов отчета – постепенный переход от биотоплива, произведенного из пищевых продуктов, к биотопливу второго и третьего поколения, для которых не требуются пригодные для питания культуры. Кроме того, в документе раскрываются вопросы твердого и газообразного биотоплива. [10–53].

В настоящее время основным жидким видом биотоплива в Европе является биодизель, на долю которого приходится 70 % биотопливного рынка. 28 % – доля биоэтанола. При этом объемы производства биоэтанола растут в геометрической прогрессии. Если в 20082010 гг. в ЕС производилось 700-1000 млн. литров в год, то в 2012 г. уже 4,6 млрд литров в год.

В странах Европейского Союза к 2020 году прогнозируется увеличении потребления биоэтанола в 1,85 раз по отношению к 2011 году. В натуральных показателях это составит 14,8 млрд. литров. Что касается биодизеля, то благодаря антидемпинговой политике в отношении Соединенных Штатов Америки, ЕС расширило географию поставок биодизеля из различных стран. Так в 2013 г. ожидается увеличение импорта биодизеля на 300 млн литров в год из Перу, Пакистана и Гватемалы. Также возможно увеличение объема поставок этого вида моторного топлива из Бразилии.

Согласно данным EurObserv'ER, потребление транспортного биотоплива в странах ЕС в 2010 году выросло на 1,7 млн т. н. э. по сравнению с 2009 годом и составило 13,9 млн т. н. э. Темп роста ввиду увеличения объема рынка в последние два года имеет тенденцию к замедлению: если прирост в 2008 году составил 42,8 %, то в 2009 году -28,9 %, а в 2010 году – всего 13,6 %. Кроме насыщения рынка в качестве причины замедления потребления называют нежелание крупнейших странпотребителей искусственно поддерживать его рост при уже достигнутых высоких показателях.[10–54].

В 2010 году сегмент биоэтанола продемонстрировал лучший прирост по отношению к сегменту биодизеля – 26,1 % против 11,1 %. Подобное соотношение объясняется вводом в некоторых странах ЕС моторных топлив Е10 (10 % содержания биоэтанола, прежняя норма -5%). Потребление биогаза в транспортных приложениях выросло на 40,1 %, хотя эта технология развивается практически исключительно в Швеции. Потребление растительных масел в качестве моторного топлива сократилось на 14,3 % из-за ввода новых налогов на этот вид топлива в Германии.

Несмотря на менее активный рост в последние годы на европейском рынке биотоплива доминирует биодизель – 10,7 млн т. н. э. (77,3 %) в 2010 году. Доля биоэтанола составила 21,1 %, растительных масел – 1,3 %, биогаза – 0,4 млн т. н. э.

Рис. 10–18. Потребление биотоплива в странах ЕС в 2000–2010 гг, тыс.т.н. э.

Крупнейшими потребителями транспортного биотоплива в 2010 году были следующие страны: Германия (3,1 млн. т. н. э., доля биодизеля – 74,0 %), Франция (2,6 млн т. н. э., 81,4 %), Испания (1,4 млн. т. н. э., 83,6 %), Италия (1,4 млн. т. н. э., 90,0 %), Великобритания (1,1 млн. т. н. э., 72,2 %). Карта потребления биотоплива в 2010 году представлена на рисунке.

В биодизельной отрасли условия работы компаний не улучшились в 2010 году. В регионе отмечается избыток мощностей, который приводит к низкой прибыли заводов и активному росту импорта более дешевого биодизеля. По оценке Eur?bserv'ER, в 2010 году в страны ЕС было ввезено 2,5 млн т биодизеля, что почти на 40 % выше уровня прошлого года. Основными поставщиками биодизея в ЕС являются страны Южной Америки.

Рис. 10–19. Структура потребления биотоплива в транспортном секторе в странах ЕС в 2009 году[10–55].

В Европе главным производителем биодизеля является Германия – 2,9 млн тонн из общих 9,6 млн тонн в 2010 году. Далее следовали Франция (1,9 млн тонн), Испания (0,9 млн тонн), Италия (0,7 млн тонн), Бельгия (0,4 млн тонн). При этом мощность немецких заводов оценивается в 4,9 млн тонн, испанских – 4,4 млн тонн (т. е. почти в 5 раз больше по сравнению с реальным выпуском), французских – 2,5 млн тонн, итальянских – 2,3 млн тонн.

Европейский рынок биоэтанола сегодня отличается большей стабильностью. До недавнего времени значительная часть потребления биоэтанола в регионе обеспечивалась поставками из Бразилии. Однако в 2010 году бразильские поставщики столкнулись с дефицитом биоэтанола на внутреннем рынке, что при росте спроса на топливо в странах ЕС может привести к активному развитию новых биоэтанольных производств в Старом Свете. Уже в 2010 году производство биоэтанола в регионе выросло на 13,3 % (до 55.3 млн декалитров). По-прежнему регион борется к дешевым биоэтанолом высоких марок (Е85-Е90) из США, на который американские производители имеют значительные субсидии и могут поставлять в Европу по ценам ниже рыночных.

Главные европейские компании-производители биоэтанола:

Abengoa – 14 заводов (США – 6, Испания – 4, Бразилия – 2; Франция – 1; Нидерланды – 1), общая мощность – 3,2 млрд. л; Tereos – 14 заводов (Франция – 6, Бразилия – 6, Бельгия – 1, Чехия – 1), общая мощность – 1,7 млрд. л;

Как прогнозирует FAS USDA, в ближайшие два года объем производства биоэтанола в ЕС и коэффициент использования мощностей вырастет благодаря мерам, принятым для ограничения импорта биоэтанола. В 2013 г. производство биоэтанола достигнет 5,190 млрд. л, в 2014 г. – 5,380 млрд. л, а коэффициент использования производственных мощностей повысится до 61 % и 63 %, соответственно. В прошлом году европейские заводы произвели 4,620 млрд. л биоэтанола.

Крупнейшие производители биоэтанола сосредоточены в странах Бенилюкса, Германии и Франции. Ожидается, что в 2014 г. в странах Бенилюкса будет изготовлено 1 114 млн. л биоэтанола (873 млн. л в 2012 г.), в Германии – 823 (776) млн. л, во Франции – 759 (759) млн. л.

Потребление биоэтанола в ЕС к 2014 г. вырастет до 5,760 млрд. л (5,700 млрд. л в 2013 г.). Крупнейшим потребителем биоэтанола останется Германия, хотя темпы роста потребления сильно замедлятся. По прогнозам FAS USDA, в 2014 г. объем потребления биоэтанола в Германии достигнет 1,709 (1,646) млрд. л, в Великобритании – 1,266 (1,139) млрд. л, во Франции – 0,759 (0,759) млрд. л.

Импорт биоэтанола в страны Евросоюза в 2013–2014 г.г. стабилизируется на уровне 850 млн. л в год. В 2012 г. объем импорта составил 1,177 млрд. л. [56]

Стратегия развития биоэнергетики существенно отличается в разных странах ЕС. Австрия и Италия сосредотачивают свои усилия на строительстве тепловых станций мощностью 0,5… 10,0 МВт, использующих в качестве топлива отходы лесной и дерево-обрабатывающей промышленности. В Финляндии, Дании и Швеции около 70 % полученной из Биомасса энергии превращаются в тепловую и электрическую энергию на больших теплофикационных ТЭЦ, остальные – на крупных тепловых станциях. Такие ТЭЦ имеют мощность 10… 80 МВт и как первичные энергетические ресурсы используются Биомасса и традиционные топлива. Одним из способов получения энергии из биомассы животного и частично растительного происхождения ее анаэробное (без доступа кислорода) сбраживание. Биогазовые технологии широко распрастранены по странам ЕС, но ведущей страной является Германия. [10–57].

Значительным преимуществом биогазовых установок является то, что они одновременно играют роль очистных сооружений, снижающих бактериальное и химическое загрязнение почвы, воды и воздуха. По сравнению с малыми ГЭС, ветро– и гелиоэнергоустановками, которые являются пассивно чистыми (используют экологически чистые источники энергии), биогазовые установки – активно чистые, то есть устраняют экологическую опасность продуктов, применяемых в качестве источника первичной энергии.

В настоящее время в Европе лидирующее положение по производству биогаза занимает Германия (более половины всех установок). По данным Немецкой биогазовой ассоциации на 2007 г. количество действующих биогазовых установок приблизилось к 4 тыс. шт. 3 из 6 крупнейших европейских компаний в биогазовой отрасли – немецкие: Strabag Umweltanlagen GmbH, Schmack Biogas AG, Biotechnische Abfallverwertung – с общим количеством 280 заводов и объемом производства порядка 3,7 млн т. По прогнозам количество установок в Германии до 2020 г. достигнет 20 тыс. шт.

В Швандорфе (Бавария, Германия) была запущена крупнейшая в Европе установка по производству биогаза, которая ежегодно вырабатывает из 85 тыс. т растительного сырья 16 млн м³ экологически чистого энергоносителя.

Продукция новой биогазовой установки будет поступать в газовую сеть в виде природного биогаза (биогаза, облагороженного до уровня природного).

К 2030 г. природный биогаз будет покрывать около 10 % потребления природного газа в Германии, что равно потреблению газа примерно в 5 млн домашних хозяйств.[10–58].

Но ведущее место в европейской биоэнергетике принадлежит производству биоэтанолу и биодизелю.

Производство биотоплив в Европе регулируется системой квот. В начале 90-х годов Общая Сельскохозяйственная Политика лимитировала посадку непродовольственных культур на землях под паром, но эта система не гарантировала равные права для различных производителей биотоплива в Европе. В 1993 году было решено ввести систему тендеров. Сейчас ЕС требует от стран установить национальные уровни производства биотоплива и объявляет международные тендеры для

удовлетворения этих уровней. На настоящий момент Франция и Италия установили такие квоты.[10–59].

10.9.1. Субсидирование производства биотоплива в ЕС [10–60]

Годовые поддержки производства биотоплива, предоставляемые правительствами стран ЕС достигли € 3,7 млрд. в 2006 году… Государственная поддержка осуществляется через множество политических мероприятий на местном, региональном, национальном уровнях. Эти меры включают освобождение от или сокращение топливных акцизов, прямые выплаты производителям в некоторых государствах-членах; капитальные гранты или дешевые кредиты для инфраструктуры; области платежей для выращивания энергетических культур, а также финансирование научных исследований и разработок. Некоторые государства-члены, где имеется минимальная доля рынка биотоплива, начали отходить от освобождения их от топливных акцизов.

В 2008 году общий объем трансфертов в поддержку производства биотоплива, связанной с политикой ЕС и его государств-членов составил € 3.010 млрд… Снижение поддержки за литр имеет значение: в 2006 году она была равна € 0,74 и € 0,50 за литр потребленного этанола и биодизельного топлива потребляется, к 2008 году она снизилась до € 0,24 и € 0,22 за литр потребляемого соответственно. Одним из наиболее важных является то, что акциз налоговых льгот, которые составляет собой самую большую долю поддержки, был сокращен в нескольких государствах-членах. Эксперты рынка Европейского союза отмечают, что в 2011 году в ЕС произошло значительное увеличение объёмов импорта биодизеля.

Согласно оценкам аналитиков, в 2011 году, по сравнению с предыдущим годом, поставки моторного биотоплива вырасли на 21 % до 2,52 млн т. Около 1,4 млн. т. было импортировано из Аргентины, а как минимум 830 тыс. т. – из Индонезии и Сингапура. В 2010 году в страны ЕС было импортировано 1,1 млн. т. аргентинской и 516 тыс. т. индонезийской и сингапурской продукции. Основным потребителем биотоплива являлись Италия и Испания.

В 2011 г. производство биодизеля уменьшилось на 6,3 % до 9 млн. т. Выпуск биотоплива снизился в основных странах-производителях в регионе: в Германии – на 2,5 %, до 2,73 млн. т., во Франции-на 5,6 % до 1,87 млн. т., Испании– на 31 %, до 550 тыс. т., в Италии-на 40 %, до до 450 тыс. т.

В 2013 г. ожидается увеличение импорта биодизеля на 300 млн литров в год из Перу, Пакистана и Гватемалы. [10–61].

Европейский Союз планирует, чтобы биотоплива составляли 10 процентов от общего числа моторных топлив в 2020 году против 1,6 процента в 2006 году. [10–62].

Есть два основных вида биотоплива: этанол, который иногда называют "biopet-rol" и который зарезервирован для бензиновых двигателей, а также biodiesels, используется в дизельных двигателях.

На данный момент биодизель гораздо более широко, чем этанол, используется в Европе, на его долю приходится до 80 процентов против 20 процентов для этанола.

Но это может измениться в будущем, с появлением автомобилей, оснащенных "биогорючее» или «гибких» двигатели, которые должны использовать максимум 85 процентов этанола, на 15 процентов бензина.

Рис. 10–20. Saab 9–3 BioPower SportComi, E85 Flexifuel модель введена Saab на шведском рынке в 2007 году.[10–63].

Швеция одна из крупнейших стран ЕС – пользователей бензина марки Е85, с резким ростом от 717 автомобилей в 2001 году до 195 545 к маю 2010 года. Швеция имеет самый большой автобусный парк в мире, более 600 автобусов, работающих на ED95, в основном в Стокгольме. Большинство топливного этанола в Швеции импортируется, в основном из Италии и Бразилии. Десятки муниципалитеты начали производство биогаза из сточных вод. В концу 2009 года насчитывалось 23000 газов автомобилей и 104 общественных автозаправочных станций. [10–63].

Рис. 10–21. ED95 автобуса в Швеции, работающие на изменение дизельный двигатель. [10–63].

10.9.2. Биодизель в качестве альтернативного моторного топлива

В Европейском союзе (ЕС), биодизель на сегодняшний день крупнейшее биотопливо и составляет 82 % от производства биотоплива[10–64]. Производство биодизеля в 2003 году в ЕС-25 было 1504000 тонн из девяти стран. По данным Европейской Комиссии за 2004 год, Германия произвела около 715 000 тонн в 2003 году, Франция производила 357 000 тонн, а Италии производится 273 000 тонн.

Для производства биодизеля используется около 1,4 млн. гектаров (га) пахотных земель в ЕС.

На долю Германии приходится до 40 %.продукции. В ЕС работает около 40 заводов, однако, количество заводов растет довольно быстро., Заводы расположены в основном в Германии, Италии, Австрии, Чешской Республике, Франции и Швеции.

10.9.3. Швеция [10–65]

Со времен нефтяного кризиса начала 1970-х годов Швеция инвестирует значительные средства в поисках альтернативных источников энергии. Это позволило без осложнений сократить долю нефти в энергопотреблении. В 1970-е годы на долю нефти приходилось 75 % производимой в стране энергии, а к 2009 году этот показатель снизился до всего лишь 32 %, в основном за счет уменьшения использования нефти для нужд отопления в жилищно-бытовом секторе.

Основные положения нынешней энергетической политики Швеции были сформулированы в 1997 г. Правительство поставило тогда своей целью стимулировать «эффективность и устойчивость энергопользования при повышении эффективности затрат в энергопроизводстве», чтобы тем самым «способствовать переходу к экологически устойчивому обществу». Для достижения этих целей и мониторинга развития в этой сфере было создано Шведское государственное энергетическое управление.

Растет доля возобновляемой энергии.

В настоящее время 45 % потребляемой в Швеции энергии – электричества, тепла для нужд отопления и топлива – поступает из возобновляемых источников. По этому показателю она опережает большинство других стран Европы, главным образом, благодаря большой доле в ее энергетике гидроэлектроэнергии и биотоплив. В начале 2009 г. вступила в силу директива ЕС, направленная на стимулирование развития возобновляемых источников энергии. Исходя из нее, в Швеции поставлена цель увеличить долю возобновляемой энергии на 50 % к 2020 г.

Низкий объем выбросов при высоком энергопотреблении.

Швецию отличает высокий уровень потребления энергии на душу населения – 16000 кВт на человека в год. По этому показателю ее опережают лишь очень немногие страны. Тем не менее, объем выбросов углекислого газа в Швеции ниже, чем в других странах. На каждого шведа приходится в среднем 5,3 тонны выбросов двуокиси углерода в год, тогда как в среднем по Евросоюзу этот показатель составляет 8,1 тонны, а для США – 19,0 тонн.

Столь низкий объем выбросов объясняется тем, что источником 85 % всей электроэнергии в Швеции являются АЭС и ГЭС, не дающие выбросов двуокиси углерода.

Биотопливо – источник тепла и энергии.

Еще 12 % производимой в Швеции электроэнергии приходится на долю комбинированного производства тепловой и электрической энергии – теплоэлектростанций (ТЭС), работающих преимущественно на биотопливе. Оставшаяся доля электроэнергии, порядка 2 %, производится на ветроэлектростанциях (ВЭС).

Возобновляемая электроэнергия.

В 2003 г. в Швеции была введена экосертификация электроэнергии с целью стимулировать использование энергии из возобновляемых источников. «Зеленые» сертификаты выдаются на электричество, производимое за счет энергии ветра, волн, солнца, геотермических источников, а также из биотоплив и на малых гидроэлектростанциях. Определенная доля электроэнергии, расходуемой потребителями, должна быть экосертифицированной, что отражается в структуре оплачиваемых ими счетов за электричество, а производители электроэнергии получают экосертификацию в объеме, пропорциональном числу мегаватт-часов (МВт-ч) произведенной ими возобновляемой электроэнергии. Целью этой системы является увеличение производства возобновляемой электроэнергии с 2002 по 2020 год на 25 ТВт-ч. В период с 2002 по 2009 год производство возобновляемой электроэнергии в рамках системы сертификации возросло на 8,2 ТВт-ч, причем около 67 % от этого прироста пришлось на биотоплива, а 24 % – на энергию ветра.

Альтернативные топлива.

Швеция прилагает немалые усилия для развития возобновляемых альтернативных видов топлива. Разработки в области использования этанола были начаты еще в 1980-е годы, и Швеция относится к числу ведущих стран мира в этой области.

Однако шведские исследователи направляют свои усилия на производство этанола из целлюлозы, называемой биотопливом второго поколения. В большинстве случаев этот метод более эффективен, нежели производство из злаковых. Кроме того, этот вид этанола не оказывает влияния на снабжение продовольствием. К другим представляющим интерес видам биологического топлива относятся различные виды биогаза, получаемые в числе прочего из навоза и отходов.

Транспорт становится чище.

В соответствии с целями Европейского Союза к 2020-му году 10 % всего транспортного топлива должно производиться из возобновляемых источников энергии. К 2009 году этот показатель в Швеции достиг 5,3 %, в основном за счет растущего потребления этанола. Чтобы ускорить это развитие, в 2006 году был принят «закон о бензоколонках», согласно которому все топливозаправочные станции, продающие более 3000 кубометров бензина или дизельного топлива в год, обязаны продавать по меньшей мере один вид возобновляемого топлива.

КАКИМ БУДЕТ АВИАЦИОННОЕ ТОПЛИВО БУДУЩЕГО? [10–66].

Увеличение мирового потребления нефти приводит к росту на топливо из нее, что ставит перед авиакомпаниями вопрос о замене керосина на BioJet.

Шведская биотопливная компания AB имеет многолетний опыт в области исследований, разработки, демонстрации и внедрения альтернативных видов топлива для транспортной отрасли. Шведское Биотопливо AB полностью синтетическое и итспользуется для реактивных двигателей. Процесс его производства схематически показан на рис. На первом этапе исходная биомасса (зерно или древесина) подвергается гидролизу с образованием сахарного сиропа. Далее сахара сбраживаются дрожжами до спиртов С-2 – С-5, который затем преобразуется путем химического синтеза в смесь C4-C20 углеводороды. Эти углеводороды впоследствии разделены на биологические бензина, керосина и дизельного топлива путем ректификации.

Рис. 10–22. Шведская технологическая схема производства Биотоплива AB.

Шведская технология производства Биотоплива AB обеспечивает плавный переход от ископаемых видов топлива на биотопливо без изменения конструкции двигателя, производительность и распределения, а также с улучшением, а не снижению качества окружающей среды. Технологии для производства биологических видов моторного топлива защищен патентами по всему миру.

Главное отличие биологических моторных топлив – высокое содержание энергии. Это достигается за счет использования оригинальной технологии переработки биомассы.

Шведской компании «Biofeuls» было выделено дополнительно 3 миллиона долларов на финансирование научных исследований из Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), подразделения Министерства обороны США. С 15 ноября 2007 шведская компания «Biofeuls» работает по контракту с DARPA для развития JP-8 топлива для реактивных двигателей., Шведская компания «Bio-feuls» получил начальное награду от DARPA в размере $ 2 млн. в 2007 году. Этот новый грант приносит полную поддержку DARPA до $ 5 миллионов.

Через 15 месяцев исследований и разработок шведская компания «Biofeuls» представила первый прототип реактивного топлива, содержащего 100 % биологического реактивного топлива SB-JP-8 эквивалентно нефтяной основе JP-8. SB-JP-8 образец был получен из зерновых культур и представлен на тест-центр правительства США для оценки в соответствии со стандартом MIL-DTL-83133F. Тестирование на AFRL отделении образца топлива СО^Р-8 показало, что он соответствует или превосходит все ключевые первые требования урвня военной спецификации на нефтяной JP-8 керосин.

Для быстрейшей индустриализации технологии получения биологических углеводородов, шведская компания «Biofeuls» выполнила тесты на моторное топливо, в котором 25 % нефтяного дизельного топлива была заменена биологической SB-JP-8 топлива для реактивных двигателей. Испытания проводились на стандартных дизельных двигателях. Положительные результаты испытаний показали возможность замены нефтяного дизельного топлива биологическим керосином. Это также обеспечивает дополнительные возможности для коммерциализации 100 % биологическую SB-JP-8 топлива для реактивных двигателей.

10.9.4. Финляндия

Финская компания Neste Oil является ведущим в мире производителем возобновляемой дизельного топлива. Основанный на технологии Neste Oil возобновляемое дизельное биотопливо NExBTL самое передовое на рынке сегодня. Топлива помогает уменьшить выбросы парниковых газов и выбросов выхлопных газов, которые оказывают влияние на качество воздуха в городах.[10–67]. Neste Oil инвестировала значительные средства в расширение производственных мощностей возобновляемых дизельного топлива В то же время Neste Oil продолжает активную программу R & D подббора сырья для производства биотоплива. [10–67]. Компания Neste Oil запускает крупнейший в Европе завод по возобновляемому био топливу на Роттердамской Маасвлакте.

Neste Oil стартовала большим биотопливным заводом Европы в Роттердамском Maasvlakte. Это является важной вехой в реализации стратегии более чистого Neste Oil в транспортной и консолидирует позиции компании как ведущего в мире производителя возобновляемой биотоплива. Это является важной вехой в реализации стратегии Neste Oil по созданию более чистого транспорта и укрепляет позиции компании как ведущего производителя в мире возобновляемого биотоплива. Завод был завершен в рамках бюджета и в соответствии с графиком… Производство в Роттердаме будет нарастать постепенно и может достигнуть максимума в 800 000 тонн в год. Общий объем производства финской компании в настоящее время 2 млн. тонн в год. В прошлом году завод идентичный заводу в Роттердаме начали строить в Сингапуре. Две установки эксплуатируются в Порвоо в Финляндии с 2007 по 2009 год. Все эти заводы производят NExBTL возобновляемое биотопливо, а также имеют возможность производить NExBTL возобновляемое авиационное топлива. Компания Neste может сделать это топливо практически из любого растительного масла или жира, отходов животноводства, благодаря своим технологиям. Биотопливо NExBTL – топливо высокого качества, которые можно использовать во всех дизельных двигателях и существующих системах распределения топлива. Топливо имеет отличную производительность при низких температурах и может быть использовано в чистом виде или в смеси с нефтяным дизелем… С помощью NExBTL можно добиться сокращения выбросов парниковых газов до 80 % по сравнению с ископаемым дизельным топливом. [68].

10.9.5. Норвегия

В Норвегии применяются передвижные установки на лесосеках, где перерабатываются растительные отходы методом пиролиза. Производительность отдельной установки от 10 до 30 т древесного угля в сутки. При пиролизе из 1 т отходов (щепа) получается 280 кг угля, 200 кг смолы пиролиза и около 222 кг газообразного топлива. Газообразное топливо используется для поддержания процесса пиролиза. Смола пиролиза применяется как котельное топливо или подвергается гидрооблагораживанию под давлением водорода для получения бензина и дизельного топлива. Стационарные установки пиролиза могут иметь до 40 печей, и рассчитаны на переработку 300350 тыс. т органических отходов в год. [10–69].

10.9.6. Нидерланды

Королевские ВВС Нидерландов продемонстрировали вертолет Apache на биотопливе.

Королевские ВВС Нидерландов недавно провели успешные испытания полетов вертолета Apache на авиабазе Gilzen-Rijen, что в Нидерландах, в ходе которых один из двух двигателей вертолета питался от альтернативного биологического топлива. Ассистентом подготовки и проведения тестирования выступила Национальная аэрокосмическая лаборатория США (NRL). В качестве биотоплива Королевские ВВС использовали смесь в процентном соотношении 50/50 устойчивого биокеросина и стандартного реактивного топлива, используемого в авиации, – чтобы удовлетворить требованиям годности к лётной эксплуатации. [10–70].

Рис. 10–23. Испытания по использованию биотоплива на военном вертолете Apache в Нидерландах.

Для проведения лётных испытаний био-керосин был произведен с использованием биомассы на основе морских водорослей в количестве 5 процентов и использованного растительного масла – 45 процентов от общего объема топлива для вертолета. В некотором смысле можно считать, что состоялась мировая премьера такого вида биотоплива для двигателей вертолета.

Во время тестового полета вертолета Apache аэрокосмическая лаборатория проводила различные измерения с использованием общей измерительной системы (GIS). Эта система измеряет данные о вертолете и сохраняет их для последующей обработки в системе Omega. В частности, полученные данные GIS о показателях вертолета позволили исследователям NRL определить, что оба двигателя работали в рамках допустимых пределов, и ни вертолет, ни экипаж не сталкивались с рисками безопасности во время полета.

По сообщениям агентства Интерфакс, 25 февраля 2011 г. самолет "Боинг-747" компании Virgin Atlantic, заправленный биотопливом, совершил первый пробный полет по маршруту Лондон – Амстердам. "Один из его четырех двигателей работал на топливе, полученном из растительной массы. Полет был призван доказать, что биотопливо не замерзнет на высоте свыше пяти тысяч метров", – сообщила в понедельник британская телерадиовещательная корпорация Би-би-си.

10.9.7. Франция

Во Франции развивается два направления по производству биотоплив:

Производство этилового спирта и этил-три-бутилового эфира (ЕТВЕ) как топлив для транспортных средств; и

Производство растительных масел как метиловых(ЕМНУ) и этиловых (ЕЕНУ) эфиров

Производство биотоплива для транспортных средств.

Этиловый спирт (или биоэтанол).

Во Франции главными ресурсами для использования в производстве этилового спирта являются свекла и злаки. В настоящее время на промышленной стадии использовуются только сахарное сырье и меласса. Между тем обработка биомассы лигноцеллюлозы является предметом исследовательских трудов для оптимизации методов производства и затрат.

Включение этилового спирта в топливо возможно в объеме до 5 %, без изменения двигателей.

ЕТВЕ (ethyl tertio butyl ether – этил-тертио-бутил-эфир).

Рис. 10–24. Структурная формула ETBE.

Этиловый спирт может быть использованным в виде ETBE. ETBE содержит 49,75 % в массе (47 % в объеме) этилового спирта, соединенного в химической форме с изобутаном. Синтез ETBE очень близок к синтезу MTBE (дополняющего оригинальный бензин для улучшения октанового числа). В силу этого, производственные объекты MTBE могут быть перепрофилированы для производства ETBE с малыми инвестициям. ETBE может быть включен в топливо в объеме до 15 %.

Включение ETBE в оригинальный бензин представляет следующие преимущества:

• Никакой проблемы изменчивости.

• Увеличивается октановое число.

• Толерантность к воде (нерастворимость в воде).

В техническом плане, ETBE – наилучший способ включения этилового спирта в горючее, благодаря своему высокому октановому числу так же как своей слабой изменчивости. Это техническое заключение является предметом согласия в профессиональных кругах.

Биотопливо для дизельных транспортных средств.

EMHV (сложный метиловый эфир растительного масла) Мировое производство растительного масла – это порядка 80Mt / в год, среди которых 30 % для пищевого использования. Современные дизельные двигатели неприспособлены для прямого питания растительным маслом (главным образом рапсововым маслом). Для этого растительное масло превращают операцией трансэстерификации с метанолом, в EMHV. Между тем возможно использовать этиловый спирт вместо метанола, но этот путь пока мало развит (EEHV, сложный этиловый эфир растительных масел).

EMHV (сложный метиловый эфир растительных масел).

1 тонна масла + 0,1 тонна метанола => 1 тонна EMHV + 0,1 тонна глицерина

Во Франции для изготовления EMHV используется главным образом именно рапс (с небольшим количеством подсолнечника). Физикохимические характеристики EMHV соседствуют с характеристиками газойля и это то, что позволяет его использовать в смеси с газойлем в классических дизельных двигателях для дорожных транспортных средств или в смеси с домашним мазутом (печным топливом). Во Франции, существует две возможности использования EMHV:

• Небольшое включение (порядка 5 % в объеме) в классическом.

• Более высокое включение (30 % в общем объеме), для использования в специфических городских нуждах, разрешенных отступлениями.

Величина 5 % – это результат утверждения программы газойля, содержащего 5 % ЕМС (сложный метиловый эфир рапса) осуществленной между 1991 и 1995. До значения 5 %, присутствие не влечет изменения характеристик смеси, что позволяет не изменять транспорт пользователей. Кроме того, при этом значении, включение не требует урегулирования формулировки газойля с точки зрения спецификаций европейской нормы EN 590.

10.9.8. Швейцария

В 2007 году Швейцарское федеральное правительство потратили (или освобождены от налогов) около CHF 12000000 поддержки производства и потребления биотоплива. Это число может вырасти в десять раз, более чем сто миллионов швейцарских франков в год в ближайшие десятилетия.[10–71].

CHF 1500 на снижение одной тонны выброса углерода с использованием рапсового биодизеля. По той же стоимости, правительство может приобрести около 30 тыс. тонн CO₂-эквивалента смещения на Европейской климатической бирже. Даже в «лучшем случае», биодизель, сделанные из переработанных отходов нефти, правительство могло бы приобрести в шесть раз больше CO₂-эквивалента смещения на Европейской климатической бирже, чем через субсидии. Если сокращение выбросов углекислого газа является главной целью политики, то субсидирование производства биотоплива обходится дорого и неэффективно.

10.9.10. Соединенное королевство

Правительство Великобритании в настоящее время определяет политику, отвечающую директивам ЕС по использованию возобновляемой энергии в объеме 10 % к 2020 г. В этом исследовании рассматривается потенциал фискальной нагрузки на правительство Великобритании и дополнительные издержки для потребителей и других разделов экономики, если величина замещения возобновляемой энергии будет увеличена с 4–5% до 10 или 15 %.[10–72].

10.9.11. Канада

Общий объем государственных трансфертов на биотопливо за трехлетний период, закончившийся 2008 году приблизился к $ 1 млрд CAD, в среднем около $ 300 млн канадских долларов в год в Субсидии составили от 20 до 70 процентов от розничной цены рынка биотоплива. Трансфертные платежи на этанол из кукурузы (маиса), наиболее распространенный продукт в Канаде, требуют субсидий в размере от $ 0.50 и $ 0.70 за литр замещаемого эквивалентного литра ископаемых топлив. [10–73].

Чтобы удалить одну тонну выбросов парниковых газов из атмосферы через производство топливного этанола из кукурузы или пшеницы нужно затратить от $ 20 °CAD и $ 40 °CAD. Для сравнения, одна тонна сокращения выбросов CO₂ на Чикагской климатической бирже стоит $ 4,25 CAD, или $ 33,85 CAD на Европейской климатической бирже.

10.9.12. Индия

Индия является одной из ведущих развивающихся стран в области производства биотоплив и биоэнергетики. Важным сырьевым источником для получения биотоплив рассматривается сахарный тростник и отходы при производстве из него сахара.[10–74]. Эта страна имеет огромный потенциал для производства биотоплива, так как располагает высоким производством биомассы в мире и производит 146 миллиардов метрических тонн, что в 10 раз превышает годовую потребности ее в энергии. Страна может использовать как термохимические технологии, так и биоэнергетические. Сахарный тростник, урожай которого составляет 300 млн. тонн/год, является лучшим сырьем для производства биотоплив, включая также мелассу (10 млн. т / год), багасу (7 млн. т / год) этанол (15 млрд л / год) и барду (18 млн. т / год). Индия может стать крупным экспортером этанола для производства бензина Е-85 для США и ЕС.

Широкомасштабное развитие производства биотоплив рассматривается в Индии как важная политическая и стратегическая цель и задача на ближайшую перспективу. [10–74].

В русле выполнения поставленных выше задач Индия и Соединенные Штаты объявили о создании совместного Фонда в $ 125 млн. для проведения комбинированных исследований в области экологически чистой энергии. По три таких организации в каждой из стран были отобраны для создания американо-индийского Центра исследований и разработок (JCERDC) по чистой энергии, как части американо-индийского партнерства по развитию экологически чистой энергетики, что было объявлено в ноябре 2009 года во время визита Президент США Барак Обама в Индию.[10–75].

В решении проблемы альтернативных моторных топлив или жидких биотоплив Индия планирует создать производства биодизельного топлива из непищевых растительных культур таких, как Jatropha или Каранджи (Pongamia) и биоэтанола из сахарного тростника и патоки.

Две индийские компании: Indian Oil Corporation (IOC) R Limited, и D-центр в Faridabad планируют создать в ближайшие 3–4 года производства биотоплив второго поколения. [10–76].

Ученые и инвесторы Индии планируют создать производства биоуглеводородов из микроводорослей, так как водоросли могут производить много раз больше нефти на единицу площади, чем любой завод в мире.[10–77].

Индия в плане выполнения задач по развитию в стране биоэнергетики и охране окружающей среды планирует к 2017 году перевести транспорт на углеводород-этанольную смесь в соотношении 80:20.[10–78].

Однако, создание таких смесей и, прежде всего, производство биоэтанола ставит рад проблем.

Смешивание бензина с этанолом потребует 350,000 тонн этанола в год при этом образуется 574000 тонн углекислого газа (парникового

газа), который будет выбрасываться в атмосферу, а также после дистилляции этанола будет оставаться спиртовая барда (4680 млн. литров в год), что также может представлять угрозу для экологии. [10–79].

Однако, мир располагает промышленными технологиями для утилизации диоксида углерода (сухой лед или выращивание водорослей) и переработки барды в биогаз и ценные кормовые продукты и удобрения.

В Индии планируется разработка законопроекта по обязательному 5 процентному смешиванию этанола с бензином во всех штатах страны, чтобы помочь фермерам, производящим сырье для производства этанола и для сокращения импорта нефти.[10–80].

В ряде штатов Индии (Махараштра, Гуджарат, Карнатака, Пенджаб) с января 2003 г. действуют автозаправочные станции, заправляющие автомобили углеводород-этанольной смесью. [10–81].

В Индии биотопливо предполагают получать из семян мадуки и шореи[10–82].

Именно семена деревьев, а не биомасса или зерновые, могут стать богатым источником возобновляемой энергии. Масла семян индийской мадуки длиннолистной (Madhuca longifolia) и шореи исполинской (Shorea robusta) обладают сравнимой с биодизелем теплотворной способностью, но производят в процессе выработки меньше побочных продуктов (угарного газа, оксида азота и др.).

Рис. 10–25. Лес Shorea robusta или салового дерева – Индия.

Применение масел из семян деревьев имеет ряд преимуществ по сравнению с другими растительными маслами. Это позволит сократить загрязнение инжекторов, а также объем нагара и липкость поршневого кольца – наиболее распространенных проблем, возникающих при использовании некоторых видов биотоплива.

Семена деревьев попросту пропадают в лесах, а ведь, например, ядро мадуки составляет 70 % семени и на 50 % состоит из масла, которое можно извлечь на уровне 34–37 %. Семена шореи могут давать 20 % масла. Масло, естественно, не конечный продукт: с помощью химической переэтерификации оно преобразуется в биотопливо. Тем же образом были протестированы семена нима (Azadirachta indica), однако в этом случае экономическая целесообразность метода под большим вопросом, поскольку древесина нима высоко ценится именно как древесина, а период созревания семян существенно больший, чем у шореи и мадуки.

Шорея исполинская (сал, шала, саловое дерево) – Shorea robusta. Вид деревьев семейства Диптерокарповые. Сал произрастает в Южной Азии, к югу от Гималаев; с восточной стороны от Мьянмы до Непала, Индии и Бангладеш. В Индии саловые леса растут, начиная от Ассама, Бенгала, Ориссы и Джаркханда на западе, до хребта Шивалик к востоку от Джамны.

Рис. 10–26. Шорея исполинская.

Рис. 10–27. Мадука длиннолистная.

Мадука длиннолистная – madhuca longifolia. дерево семейства сапотовые, распространенное в лесах северной Индии. мадука длиннолистная – быстрорастущее полулистопадное или вечнозелёное дерево, достигающее до 20 м в высоту. дерево культивируется в тропических областях ради маслянистых семян и мясистых цветков. одно дерево производит за год от 20 до 200 кг семян, в зависимости от возраста.

Рис. 10–28. Азадирахта индийская

Азадирахта индийская (ним, ниим, маргоза) – Azadirachta indica. Вечнозеленое дерево семейства Мелиевые, происходящее из тропических и субтропических районов Пакистана, Бангладеш, Индии и Мьянмы. Дерево высотой 12–18 м с раскидистой кроной.

10.9.13. ОАЭ [10–83]

ДУБАЙ: ОАЭ, национальный перевозчик Etihad Airways стал первым, работающим на биотопливе. Новейшего Boeing 777-300ER, совершил 14-часовой перелет от Сиэтла до Абу-Даби 24 января 2012 г. является первым в Персидском заливе и будет и далее работать с использованием биотоплива, как авиакомпания объявила.

10.9.14. Япония

Компания Toyota Motor Corporation будет наращивать усилия в области создания коммерческого использования нового биотоплива к 2020 году для гибридного автомобиля, работающего на экологически чистом топливе.

Для производства биотоплива компания Toyota уже разработала получение этанола дрожжами за счет эффективного брожения сахара из несъедобной тропической травы Napier.[10–84].

10.9.15. Бразилия

Бразилия – самый крупный в мире производитель сахарного тростника и сахара и с выпуском в 24.9 млрд. литров (19.76 млн. тонн) этанола является вторым по величине после США производителем этанола в мире. В то время как использование этанола растёт глобально, никакая другая страна в мире не полагается на этанол столь основательно, как Бразилия. Страна уже сняла импортные тарифы на ввоз этанола, полагая, что за ней последуют США и другие страны, но пока будущее мировой торговли этанолом всё ещё не ясно, также как и то, какую роль будут играть южноамериканские страны в 2010 году.[10–85]. Характеристика отрасли.

Бразилия производит топливный этанол из сахарного тростника (маркетинговый год с 1 мая по 30 апреля). В сезоне 2007/09 МГ Бразилия собрала рекордные 604.5 млн. тонн сахарного тростника (542 млн.т. в Южно-Центральном регионе), прогноз на 2010 год – 651.5 млн. тонн. Рост достигнут за счёт расширения посевных площадей до 7.74 млн. га (2006 – 6.4 млн. га) и благоприятных погодных условий.

Из общего сбора тростника на производство сахара направлено 45.1 % (286.3 млн. тонн). Для изготовления этанола было использовано 54.9 % (348.6 млн. тонн), из которых получено: 9.13 млрд.л. обезвоженного + 18.68 млрд.л. необезвоженного = всего 27.8 млрд. литров этанола или +4.2 % к прошлому маркетинговому сезону в 26.68 млрд.л. (2008/09 МГ).

В 2010 году ожидалось увеличение выпуска этанола к 2009 г. на 14 % до 28.4 млрд.л. и сахара на 15 % до 38.2 млн.т. Несмотря на рекордное производство этанола, его экспорт останется на низком уровне и был на 46 % меньше, чем в 2009 году. В 2009 году Бразилия экспортировала 3.296 млн.л. этанола против 5.7 млрд.л. в 2008 году. За 8 месяцев 2010 экспорт этанола составил в 1.14 млрд.л. по сравнению с 2.28 млрд. за тот же период 2009 года.

Производителей сахара, биоэтанола и биоэлектричества в Бразилии объединяет ассоциация UNICA (Brazilian Sugarcane Industry Association). Из 440 сахарных заводов в Бразилии (в 2006 – 425) большинство включает этанольное производство, что означает высокую гибкость предприятия между выпусками сахара и этанола.

Приблизительно 100 из 440 заводов производят исключительно биоэтанол и биоэлектричество, но никакого сахара. Большая часть этанольных производств или 91.3 % сконцентрированы в Южно-Центральном регионе страны. Эта область включает штат Сан-Паулу, где сосредоточено 60.7 % этанольного производства страны. Остальная часть или 2.4 млрд. л этанола производится в Северо-Восточном регионе Бразилии.

Бразильская этанольная отрасль очень отличается от этанольной индустрии США, и не только за счёт использования различного сырья (сахарный тростник и кукуруза). В Бразилии производится и продаётся потребителям два вида этанола – обезвоженный и гидратный (не обезвоженный) этанол. Обезвоженный этанол, который является в США стандартом, содержит приблизительно 0.5 % воды в объёмном измерении и смешивается с бензинами для топливного использования. Гидратный этанол имеет 5 % содержание воды. Состав транспортных средств на дорогах Бразилии сильно отличается от традиционных рынков. В 1984 году более 94 % авто могли сжигать только обезвоженный этанол. В 2003 году на рынке Бразилии были представлены FFV средства. Сегодня большинство средств в Бразилии FFV (приблизительно 90 %) могут ездить и на Е100 – чистом этаноле, и на любой из этих двух видов смесях. Требуется подчеркнуть, что весь бензин в Бразилии имеет хоть какое-либо содержание этанола.

Тенденции.

С 1990 по 1996 производство этанола поддерживалось на уровне 11–12 млрд. литров. После двухлетнего подъёма в 1997–1998 годах производство составило 15.3 млрд. литров. С тех пор в Бразилии наблюдался устойчивый рост этанольной отрасли вплоть до сегодняшнего дня, когда страна достигла уровня производства 27.5 млрд. литров (21.83 млн. тонн). Производство этанола с 2002 года более чем удвоилось. Однако рост начал замедляться и UNICA в течение текущего сельскохозяйственного сезона построила ещё 10 новых заводов по выпуску этанола, хотя темпы строительства замедляются: 19 в прошлом сезоне против 25–30 новых заводов в предыдущие годы.

Приток иностранного капитала в сахароэтанольную отрасль Бразилии увеличился, особенно в 2010 году. В середине 2007 года иностранный капитал удерживал 7 % долю индустрии, а к концу 2009 года иностранным капиталом управлялось 44 бразильских завода с объёмом переработки 590 млн.т. сахарного тростника, что составляет 14 % урожая 2009/10 МГ. За несколько первых недель 2010 года состоялись 4 главные сделки, в результате которых иностранный капитал управляет 22 % сахароэтанольных компаний. В данном расчёте не учитывается последняя сделка между Petrobras (Бразилия) и Tereos (Франция), представленным в Бразилии сахароэтанольной группой Acucar Guarani. Кроме этого, это и слияние компаний Brenco и ETH, в которых мажорным был местный капитал, но компания выкупила часть акций, находящихся в собственности иностранных компаний.

В феврале 2010 года подписали меморандум нефтяная компания Royal Dutch Shell Plc. и самый большой производитель сахара Cosan SA Industrio and Co-mercio, а 25 августа 2010 завершилось создание совместного предприятия Co-dexis (12 млрд. USD). Цель этого объединения – производство биоэтанола и электричества из сахарного тростника в Бразилии, а также экспорт этанола и сахара. Новое предприятие с производственными мощностями 2 млрд.л. этанола в год (23завода по переработке 60 млн.т. сахарного тростника в этанол и сахар) сформирует 3-го крупнейшего в мире производителя этанола.

Ежегодные продажи топлив через 4.500 АЗС, принадлежащих СП (2740 АЗС Shell + 1700 АЗС Cosan), составят 18 млрд. л. Ежегодные продажи компании оцениваются в 21 млрд. USD. Основная проблема, существовавшая в мировой отрасли биоэтанола до этой сделки, состояла в том, что большие нефтяные компании не желали вкладывать деньги в биотопливо.

Процесс поглощения нефтяными компаниями производителей этанола начался и будет только усиливаться.

В марте 2010 г. Tereos (Франция), третий по величине после немецких Suedzu-cker and Nordzucker сахарный производитель Европы, объявила о перегруппи-ровке своего ключевого международного бизнеса и перемещении международных IPO активов на биржу в Сан-Пауло. Tereos создал филиал Tereos Internacional, который должен был иметь ежегодные продажи 2.5 млрд. USD с EBITDA 366 млн. USD.

Приток иностранного капитала в Бразилию – это результат действий в промышленности страны, функционирующей свободно и без правительственного управления. Это был верный путь повышения эффективности и производительности тростниковой индустрии, что могло произойти только в свободном рыночном окружении.

Процесс наращивания капитала в Бразилии продолжает увеличиваться. 10 сентября 2010 года компания Usina Serra de Caiap (штат Goias) объявила о том, что планирует вложить BRL 230 млн. (133 млн. USD) в расширение мощностей по переработке сахарного тростника для увеличения переработки до 1.2 млн. тонн. Бразильское правительство предоставило компании сроком на 15 лет налоговые стимулы, которые оцениваются в BRL 302.5 млн.

Американский химический магнат Dow Chemical выкупил 50 % акций у Crys-talsev и стал 100 % собственником завода по производству полиэтилена из биоэтанола в Santa Vitoria, штат Minas Gerais. Проект стоимостью 1 млрд. USD должен ежегодно производить 350.000тонн полиэтилена, производимого из этанола. Строительство проекта было начато в 2007 и планируется к запуску в 2011 году.

Обобщая вышесказанное, можно констатировать, что этанольная отрасль Бразилии, получив огромные финансовые ресурсы, при правильной государственной политике, а также учитывая конкурентоспособность бразильского этанола (см. Табл. 10-5) в настоящее время имеет все шансы на мировое доминирование. Главным показателем в структуре себестоимости этанола является сырье и в данной ситуации сахарный тростник Бразилии, который составляет 67.7 % в себестоимости этанола, вне конкуренции с кукурузой США, пшеницей и сахарной свеклой Германии.

Таблица. 10-5

Конкурентоспособность бразильского этанола (евро/100 л) по сравнению с этанолом США и Германии

Биодизель из кофе.

В Бразилии запатентованы способы производства биодизельного топлива из низкокачественных сортов кофе, из городских поверхностных стоков масел или из отходов животноводства. [10–87].

В Бразилии существует система добровольных добавок в дизельное топливо (В-2) 2 % биотоплива.

Эта система требует около 800 млн л биотоплива в год. С 2008 г. примесь биотоплива станет обязательной, а пропорция добавок возрастет до 5 % в 2013 г. когда общее потребление биотоплива достигнет 2,5 млрд л в год. Кофейные зерна низкого качества, составляющие около 20 % от валового урожая кофе, предлагаются как альтернативное сырье для производства биодизеля. Но предстоит перенести эксперимент на промышленный уровень и проверить рыночную привлекательность продукта. Это намечалось сделать в2007 г.

Остается неясной экономическая оправданность проекта, поскольку кофе стоит дороже биодизельного топлива, из него полученного. К тому же низкосортные зерна охотно покупаются в мире. Однако биодизель из кофе стоит все же дешевле продаваемых сейчас сортов.

Из 100 кг кофе можно получить 12 кг масла, которое перегоняется в 9 кг биодизельного топлива.

В общем-то по ограниченности материала кофейные бобы сравнимы, например, с соевыми, однако производство биодизеля из кофе стоит дешевле.

Биодизель из городских стоков. Городские стоки дают «хорошее сырье» для биодизеля, но для их переработки обязательно необходимо разрешение местных санитарных властей. В целом переработка городских стоков может происходить непрерывно и приносить в добавок пользу окружающей среде. Использование этих отходов, несомненно, оздоровит Бразилию, потому что свыше половины населения страны близко соприкасается с загрязненными сточными водами. Теоретически национальное производство альтернативного топлива из городских стоков может достигать 1,5 млрд л в год, однако реально можно рассчитывать только на 40 % этого объема, потому что именно столько собирается в настоящее в санитарных системах.

Производство других видов биотоплива из отходов кофе.

Оставшиеся отходы могут быть превращены в брикетное топливо для печей, каминов и котлов.

Учитывая, что сеть кафе Starbucks выбрасывает в США 96 тысяч тонн кофейной гущи ежегодно, исследователи установили, что из этого количества можно выработать 40 тысяч литров биодизеля и 80 тонн брикетного топлива. За вычетом себестоимости и после торговой наценки цена нового вида биодизеля составит примерно три цента за литр и 225 долларов за тонну брикетного топлива, расчетная прибыть от продажи может составить до 8 миллионов долларов.

Таким образом, образуется замкнутый круг полностью безотходного производства.

Одно из главных преимуществ биодизеля – более низкая цена по сравнению с другими источниками энергии. Чтобы снизить цену производства биодизельного топлива многие промышленные предприятия используют отходы переработки нефти и газа и остатки масла после жарки продуктов в промышленных масштабах.

Исследователи из отдела исследований химических материалов Невадского университета (США) полагают, что биодизельное топливо из кофейной гущи будет удовлетворять всем существующим к таким видам продукции требованиям. [10–87].

10.9.16. Китай

Рынок биотоплива в Китае по итогам 2010 года составил 2342 тыс. тонн. [88].

Китай относится к наиболее перспективным региональным рынкам биотоплива. В настоящее время страна испытывает беспрецедентный рост парка автотранспорта. При этом уровень обеспеченности страны собственными ресурсами нефти недостаточен для удовлетворения текущих потребностей в топливе, что делает Китай крайне зависимым от импорта в страну нефти и нефтепродуктов.

Одним из путей по снижению зависимости страны от импорта нефти, а также снижению антропогенной нагрузки на окружающую среду является реализация китайским правительством масштабной программы, направленной на увеличение производства в стране различных видов биотоплива.

Объем производства биотоплива в Китае демонстрировал устойчивый рост на протяжении последних пяти лет. Если в 2005 году объем рынка биотоплива в стране составил около 780 тыс. тонн, то к 2009 году этот показатель составил 2016 тыс. тонн. Оцениваемый объем рынка биотоплива в Китае по итогам 2010 года составляет 2342 тыс. тонн.

Биотопливо – будущее Китая [10–89].

К реализации масштабной программы развития биотопливной промышленности приступило правительство Китайской Народной Республики. Программа инвестируется из средств государственного бюджета и капиталовложений частных лиц.

Согласно проекту, ежегодное производство топливных гранул (до 50 млн. тонн) Китай намерен увеличить к 2020 году. Для этого в стране каждый год будет на биотопливе строиться до тридцати новых электростанций мощностью 25 МВт каждая.

Основным сырьем для производства должна стать энергетическая древесина, которую будут получать за счет специальных быстрорастущих посадок деревьев. Подсчитано, что этот материал сможет обеспечивать ежегодно 350 млн. тонн древесного биотоплива.

Сегодня Поднебесная потребляет самое большое, по сравнению с другими странами мира, количество угля. В атмосферу, соответственно, выбрасывается рекордное количество углекислого газа. Переход энергетической отрасли страны на биотопливо позволит существенно сократить выбросы парниковых газов.

Топливные гранулы предназначены для внутреннего использования, а также для экспорта на рынки азиатских и европейских стран.

Китай перейдет на биотопливо из соломы [10–90]. (Китайским ученым удалось создать топливо для двигателей внутреннего сгорания с использованием рисовой соломы и другой биомассы в качестве сырья.

Исследования были проведены в Институте физико-химической техники Академии наук Китая. С использованием новых технологий были проведены эксперименты на 15 видах биомассы, включая рисовую и пшеничную солому, стебли хлопка, бобов, кукурузы, батата, ореха и масличных культур, а также листья, древесные опилки и шелуху… По теплотворности синтетическое топливо не уступает стандартному дизельному топливу. В Китае ежегодно производится 720 млн тонн различных видов соломы, что является сырьевой гарантией для производства органического топлива.

Китай делает ставку на целлюлозное биотопливо.

В Китае будет построена установка по производству целлюлозного биотоплива [10–91]. Компании COFCO, Sinopec и Novozymes подписали меморандум о взаимопонимании, связанный с планами компаний развивать в Китае промышленное производство биотоплива из целлюлозного сырья.

В рамках соглашения COFCO и Sinopec построят опытную установку по выпуску целлюлозного этанола, a Novozymes будет поставлять для установки ферменты. Новая установка мощностью 3 млн галлонов биоэтанола введена в строй в 3 квартале 2011 года. Сырьем для производства топлива – отходы переработки кукурузы. В феврале Novozymes начала производство нового фермента СеШс* СТес2, который, по данным компании, позволяет производить целлюлозный этанол по цене, сравнимой с ценой бензина и обычного этанола.

Китайская национальная нефтехимическая корпорация /"Синопек"/ разработала первый в стране продукт в области авиационного биотоплива. Китай ежегодно потребляет приблизительно 20 млн тонн авиационного топлива. В частности, "Синопек" обеспечивает 70-процентное внутреннее производство авиакеросина. Сообщается, что "Синопек" сейчас также активно работает над поиском новых сырьевых материалов для производства биотоплива авиации, включая масло из кухонных отходов и морскую водоросль.

БИОТОПЛИВНАЯ ЭКСПАНСИЯ КИТАЯ.

У китайских инвесторов есть целая масштабная программа модернизации спиртовых заводов в Украине с переводом их на производство биоэтанола. Возможная сумма инвестиций – $120 млн.[10–92].

КИТАЙ И США БУДУТ СОТРУДНИЧАТЬ В ВЫПУСКЕ БИОТОПЛИВА.

Крупнейшая в Китае производитель яиц компания Дэцинъюань заявил о планах по сотрудничеству с американским производителем и поставщиком свиного мяса Smithfield Foods. В течение 10 лет компании вложат в создание совместного предприятия по выпуску биотоплива в США $1,8 млрд.

Указанные агрокомпании создадут совместное предприятие через свои филиалы. Таким образом в сделке будут участвовать Пекинская биоэнергетическая компания Helee и американская Murphy-Brown.

Благодаря технологиям Helee новая компания до конца 2012 г. приступит к производству биогаза. Это топливо пойдет на выработку электроэнергии. Как ожидается, объем выпуска газа составит 3,5 млн куб. м ежегодно. Благодаря использованию этого топлива, будет ежегодно вырабатываться 7 млн кВтч электроэнергии. Мощность будущей электростанции на биотопливе составит 1 МВт. При этом после реализации проекта выбросы углерода сократятся на 42 000 т в год.

Добавим, что компания Smithfield Foods – один из крупнейших в США производителей и поставщиков свиного мяса. На его долю приходится 22,5 % американского рынка. Компания Дэцинъюань обеспечивает 45 % поставок яиц китайским потребителям. При этом китайском предприятии под Пекином работает электростанция, которая ежегодно вырабатывает 14 млн кВтч электричества.

КИТАЙ ДЕЛАЕТ ПЕРВЫЕ ПОЛЕТЫ НА БИОТОПЛИВЕ.[10–93].

Рис. 10–28. Air China Ltd самолет заправляется смесью авиационного топлива и биотоплива в Пекине.

Китай будет использовать 12 млн тонн биотоплива в авиации к 2020 году, что составляет 30 процентов от общего потребления в стране авиационного топлива

Рыночная стоимость биотоплива струи превысит 120 млрд юаней ($ 19 млрд) к 2020 году. В настоящее время Китай потребляет около 20 млн тонн топлива для реактивных двигателей в год.

Китайская нефтехимическая корпорация Sinopec Group, которая производит 73 процента от объема производства в стране топлива для реактивных двигателей, объявила, что успешно начала производить биотопливо на химическом заводе в городе Ханчжоу, провинция Чжэцзян.

Конкурент компании Sinopec Китайская национальная нефтяная корпорация, крупнейший производитель нефти в стране помогла Air

Топливо были извлечены из несъедобных растений ятрофа, который выращивается в Юго-Западном Китае.

Китайская национальная нефтегазовая корпорация планирует построить завод по производству 60 000 тонн биотоплива в год к 2014 году.

Китай делает первые полеты на биотопливе.[10–93].

Один из Боингов 747–400, двигатели которого работали на смеси 50–50 зеленого топлива Jet компании Honeywell и нефтяного авиатоплива, совершил демонстрационный полет нал Пекином… Биотопливо была получено из ятрофы, выращенной на плантации в юго-западном Китае, принадлежащей государству нефтяной компании PetroChina.

Компания Honeywell работает с PetroChina, Air China и Boeing для создания инфраструктуры авиационного биотоплива в Китае.

О запуске совместной разработки биотоплива для самолетов сообщили компании из Китая и США. Данное топливо будет создаваться на основе водорослей и масличных орехов.

Со стороны Китая в новый консорциум вступят некоторые правительственные агентства США и компания Boeing, со стороны Китая такие государственные компании, как Air China и PetroChina, а также ряд других.

Предполагалось, что уже в 2010 году будет совершен первый полет с использованием нового топлива. А уже через 3–5 лет разработки начнут внедрять для гражданской авиации. [10-105,10–94].

Согласно масштабной программы развития биотопливной промышленности ежегодное производство топливных гранул (до 50 млн. тонн) Китай намерен увеличить к 2020 году. В стране каждый год будут строиться до тридцати новых электростанций мощностью 25 МВт каждая на биотопливе.[10–95].

Биотопливо в Китае рассматривается не только как альтернатива нефти, но также как катализатор экономического роста.

Эксперты Института ядерных исследований, Университета Цинхуа полагают, что "Биотопливная промышленность является интегрированной системой, которая может управлять развитием целого ряда других отраслей, включая сельское хозяйство, производство химикатов, пластмасс, автомобилей, энергетики, транспорта и услуг, помогая повысить внутренний спрос "В отличие от других отраслей промышленности, биотопливо помогают поддерживать социальную стабильность путем решения ряда связанных с сельским хозяйством вопросов, включая повышение доходов фермеров и создание рабочих мест для миллионов фермеров».

Китайское правительство будет уделять приоритетное внимание развитию биотоплива в качестве альтернативы нефти, которая является частью национальной стратегии развития энергетики, а также принять ряд мер по поддержке развития отрасли биотоплива.

Национальной комиссии развития и реформ и Министерства сельского хозяйства и финансов опубликовало план комплексного использования урожая стеблей на 12-ю пятилетку по содействию индустриализации производства целлюлозного этанола и увеличению использования стебля до 30 процентов. Отраслевые аналитики подчеркивают, что такая политика обеспечила новые возможности для развития китайского непродовольственного сектора топливного этанола. [10–96]. В 2011 году импорт нефти составил более 55 процентов от общего объема потребления нефти в Китае. В условиях продолжающегося роста мировых цен на нефть, рынок для импорта нефти столкнулся со многими неопределенностями в связи с ядерным кризисом в Иране и увеличение загрязнения воздуха, вызванного выбросами выхлопных что вредит здоровью человека. Поле сладкого сорго площадью 660 квадратных метров способно производить около одной тонны этанола, и автомобиль, работающий на биотопливе сокращает выбросы CO₂ более чем на 30 процентов. Правительство КНР планирует расширить производство биотоплива с производственными базами в районе Внутренняя Монголия и Синьцзян, двух регионах со значительным ресурсом солнечного света и тепла, пригодных для посадки сахарного сорго, а также в регионе Бохай Рим, где производственная база в пять миллионов тонн топливного этанола может быть построена..[10–96].

Китай относится к наиболее перспективным региональным рынкам биотоплива.

Китай выделил субсидии в общей сложности 115 млн. долл. США, что примерно 0,40 доллара США за литр, для производства биотоплива в 2006 году. Всего поддержка, как ожидается, составит около юаней 1,2 млрд. долл. США к 2020 году. [10–97].

Строительство электростанций станции на биомассе. Китай будет строить электростанций на биомассе с общей мощностью 30000 МВт к 2020 году. Для достижения этой цели, строительство станций начали во многих местах Китая, большинство из которых в соответствии с МЧР (Механизм чистого развития). Среди них проект провинции Цзянсу выглядит выдающимся с точки зрения суммарной мощностью электростанций в том числе по плану.

Электростанции в Баотоу и Neimenggu, были запущены в апреле 2009 года. Завод в Баотоу мощностью 25 МВт был проинвестирован в объеме 147 млн. долларов США, то есть, 5,88 млн. долл. США за 1 МВт.

Первый завод был построен в провинции Шаньдун и введен в эксплуатацию в декабре 2006 года. Завод имеет мощность 25 МВт, потребляя 150 000 ~ 200 000 тонн биомассы в год, а ее стоимость строительства составила 35,7 млн. долл. США.

Энергетическая компания Ухань Kaidi строит пятьдесят электростанций на биомассы в семи провинциях: Хубэй, Хунань, Шаньси, Фуцзянь, Цзянсу, Цзян-си и Аньхой. Каждая электростанция будет иметь мощность 12 МВт, а также поставлять 7200000000 кВтч в год до 70000 домохозяйств. WKEPE Компания также представила план о том, что электрические системы передачи и распределения для районов было поручено компании General Electric в июне 2008 года. Потребляя лесную биомассу, китайские компании будут проводить лесовосстановление на площади 4000 км ² до 2013 года на сумму 3 миллиарда китайцев юаней (39 млрд иен).

Рис. 10–32. Мощности генерирующих мощностей на Биомассе в каждой провинции в Китае

Китай стремится содействовать развитию своей отрасли биотоплива с помощью ряда мер поддержки, несмотря на массу трудностей производства. Китайское правительство поставило перед собой цель использовать пять миллионов тонн топливного этанола в «12-й пятилетке», охватывающей 2011 по 2015 год, что почти вдвое больше, чем в предыдущий период (2006–2010). [10–96].

Одним из традиционных и важнейших направлений китайской биоэнергетики является производство биогаза.

В современном Китае действует более 20 миллионов крестьянских биогазовых установок с ежегодным производством 14.6 млрд. куб. м и замещением в год более 10 млн. ту.т. и несколько десятков тысяч более крупных биогазовых систем при промышленных предприятиях перерабатывающей промышленности, сельхозпредприятиях и в коммунальном секторе.[10-3].

Китай переходит к созданию крупных современных биогазовых станций на отходах животноводства и птицеводства.

Национальная биоэнергетическая компания Китая (NBE) – крупнейшая госкомпания КНР, специализирующаяся на комплексном развитии и утилизации биоэнергии. В штате компании трудятся более 3 млн человек.[10–98].

10.9.17. Австралия

Австралийская компания «Licella», занимающейся поиском альтернативных источников энергии, предложила эффективный способ переработки сельхозотходов в автомобильное топливо.[10-106].

Для того, чтобы превратить биомассу в топливо, используя технологию каталитической гидротермальной реакции, понадобится всего полчаса. «Разработанная методика позволяет быстрее, чище и с максимальной экономической выгодой отрабатывать биологические отходы», и является единственной в мире.

Одной из первых компаний, которая проявила интерес к новому виду топлива, стал авиаперевозчик Virgin (Австралия).

Компания Licella совместно с компанией Norsk Sko объявила об открытии демонстрационной установки по производству топлива Licella Fibre для коммерциализации технологий, а также объявила о меморандуме о взаимопонимании с авиакомпаниями Virgin Австралии и Air New Zealand, чтобы развивать авиационное топливо из биомасло Licella.

Авиакомпания Virgin (Австралия) подписала сегодня меморандум о взаимопонимании для работы с компанией Licella по изучению возможности CAT-HTR технологии для создания альтернативного, устойчивого источника топлива реактивной авиации.

В соответствии с МОВ, компании Virgin и Licella будут совместно исследовать потенциал CATHTR через дальнейшее тестирование авиационного топлива технология позволяет, с целью поддержки его сертификации и достижения коммерческого отвода соглашения.

Air New Zealand также объявила, что подписала меморандум о взаимопонимании (МОВ) с Licella Pty Ltd для изучения развития и коммерциализации процесса преобразования древесной биомассы в биотопливо устойчивой в Новой Зеландии.

В соответствии с МОВ Air New Zealand и Licella будут совместно исследовать потенциал технологий производства биотоплива устойчивого авиации в Новой Зеландии.

Технология Licella.

Licella разработала уникальный процесс с использованием каталитического гидротепловых реакторов (Cat-HTR), которые преобразуют древесные материалы и другую биомассу в высококачественную биоуглеводороды.

Этот процесс был разработан в течение последних трех с половиной лет в пилотной установке Licella в Somersby на Центральном побережье Нового Южного Уэльса под руководством профессора Томаса Maschmeyer из Университета Сиднея.

Субсидии на производство биотоплива в Австралии.

Правительство Австралии потратило $ 95 млн на поддержку производства и потребления биотоплива в 2006-07 годах… Эта цена выросла до нескольких сотен миллионов долларов в год к концу десятилетия. В настоящее время на биотопливо приходится менее 0,5 процента от потребностей транспортного топлива в Австралии.[10–99]. Биогазовая установка на Молокозаводе в Австралии.

Подробная информация 1. Адрес предприятия: Электростанция данного молокозавода располагается в Виктории, Австралия. 2. Вид газа: Биогаз 3. Вид генераторной установки: 500GF1-PWZ, 260GF-PWZ 4. Количество генераторных установок: 2 5. Вырабатываемая электроэнергия: 0.76 МВт 6. Начало работы: Данное предприятие начало свою работу в 2008 году.

Данная электростанция использует в качестве топлива биогаз, который, в свою очередь, вырабатывается от молокозавода. Данная продукция является первым уровнем данного завода.

Электростанция в Австралии.

Подробная информация 1. Адрес предприятия: Данная электростанция располагается около скотобойни, Брисбен, Австралия. 2. Тип газа: Сырный биогаз 3. Вид генераторной установки: 500GF1-PWZ 4. Количество генераторных установок: 1 5. Вырабатываемая электроэнергия: 0.5 МВт 6. Начало работы: Данное предприятие начало работать в 2008 году.

Данная электростанция использует в качестве топлива биогаз, готовый вырабатывается при переработки органического мусора в скотобойнях.

10.9.18. Индонезия

Общая сумма расходов правительство индонезийского правительства для развития биотоплива в период с 2006 по июнь 2008 года составил до 1,6 млрд. долл. США. Фактический размер субсидий, скорее всего, были в районе 200 млн. долл. США.[10-100].

10.9.19. Таиланд

Таиланд занимает 3-е место в мире по объемам производства пальмового масла[101].

Согласно данным министерства сельского хозяйства США, мировые объемы производства масличных семян достигли 440,9 млн тонн в 2009–2010 году – таким образом, мировое производство выросло на 11 % по сравнению с предыдущим годом. США, Бразилия и Китай являются крупнейшими производителями масличных культур. Основной масличной культурой по праву считают союей принадлежит 57 % от общего объема производства. В 2009–2010 годах объемы выпуска сои достигли 259,2 млн тонн. Крупнейшим поставщиком данной культуры является США, основными импортерами – Китай и страны ЕС. Таиланд также является крупным импортером – четвертым после Китая, Германии и Мексики, вследствие постоянно расширяющегося спроса и небольших объемов производства внутри страны. Внутреннее производство сои в стране находится на незначительном уровне и удовлетворяет около 10 % спроса на местном рынке масличных культур. Тем временем прогнозируется, что закупки на рынке сои в Таиланде возрастут на 9 % – до 1,98 млн тонн в 2010–2011 годах. В конце 2010 года предприятия Thai Vegetable Oil Co. (TVO) и Thanakom Vegetable Oil Products Co. (TVOP) собираются запустить новые мощности на обрабатывающих заводах. Такое расширение снизит стоимость производства, что приведет к более устойчивому положению обоих предприятий как на внутреннем, так и на мировом рынке соевого масла. Структура отрасли по производству соевого масла в Таиланде приобрела олигополистический характер – из 10 работающих здесь предприятий, TVO и TVOP обрабатывают 90 % выращиваемой в стране сои. Мелкие предприятия испытывают трудности из-за ограниченного финансирования, колеблющихся цен на соевые бобы. Многим пришлось снизить уровни производства, некоторые из них используют менее 50 % мощностей. Пальмовое масло является вторым в мире по масштабам производства, после соевого. Таиланд занимает 3-е, после Индонезии и Малайзии, место по объемам производства пальмового масла. В данной отрасли задействовано около 512 тыс га площади. 1 га обеспечивает производство 4–5 тонн пальмового масла, что в 5-10 раз больше, чем для других масличных культур. Таиланд планирует значительно расширить производство биотоплива за счет расширения пальмовых плантаций. Кроме того, Таиланд является одной из 10 основных стран-производителей кокосового масла, и является четвертым крупнейшим поставщиком копры. Около 1/3 выращиваемых в стране кокосов используется в пищевой промышленности, из оставшихся 2/3 получают копру. По данным министерства сельского хозяйства США, Таиланд производит 72 тыс тонн копры ежегодно.[10-102].

Биогазовая электростанция, работающая на пальмовом масле (Таиланд, Азия)[103].

Адрес предприятия: ASIANPALM является электростанцией, работающей на пальмовом масле в городе Краби, Таиланд. 2. Вид газа: Биогаз 3. Тип генераторной установки: 500GF1-RZ 4. Количество генераторных установок: 2 5. Вырабатываемая электроэнергия: 900 кВт 6. Начало работы: Первая генераторная установка начала работу в июле в 2006 году. 7. Вторая генераторная установка начала работу в марте в 2007 году.

Данная биогазовая электростанция, работающая на пальмовом масле преобразует пальмовое масло в электрическую мощность. Вся Вырабатываемая электроэнергия подключается к электрической сети общего пользования.

Литература

10-1. Третьяков В.Ф., Использование биоэтанола в качестве альтернативного сырья для нефтехимии., www.rusnauka.com.

10-2. Панцхава Е.С., Биоэнергетика – самостоятельная часть современной энергетики., ж. В мире науки., www.prometeus.nsc.ru.

10-3. Панцхава Е.С. и др., Биогазовые технологии, МГУИЭ, Москва, 2008, 217 стр.

10-4. БИОМАССА(ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ).,

www.ecomuseum.kz.

10-5.Технологии производства биотопливо из микроводорослей., www.chevron.com.

10-6. Next Big Bio-Fuel – ALGAE.,

10-7. Презентация компании "Биодизельднепр".,

www.biodiesel.dp.ua.

10-8. Проект – «Эйхорния». Эйхорния – уникальная водоросль: «очистные сооружения» и биотопливо., www.allinnovations.ru.

10-9. Компания БИОЭНЕРГОМАШ.,

10. Китайские инвесторы вложат $120 млн. в производство биотоплива zr2000.com.ua.

10-11 Государственная поддержка для этанола и биодизеля в США., www.bioethanol.ru.

10-12. Американцы ставят на синтетику., www.gazeta.ru.

10-13. Биомасса ползет в бак., www.m.expert.ru.

10-14. РБК Экономика. top.rbc.ru.

10-15. Альтернативное топливо., www.

10-16. Chipping Away – The Site Selection Energy Report., www.siteselection.com.

10-17. Биотопливо: шаг вперёд с оглядкой в прошлое. www. RosInvest.com.

10-18. Генри Форд – создатель компании Форд Мотор Компани – Бизнес. Бизнес в массы! www.bizataka.ru.

10-19. Making your own E-85., www.

10-20. Oklahoma BioRefining Corporation: Industry.,

www.oklahomabiorefining. com.

10-21. Ethanol Producer Magazine | EthanolProducer. www.ethanolproducer.com.

10-22. Forest residues., www.sciencedirect.comScienceDirect.com.

10-23. Agricultural and forest residues – generation, utilization and availability, www.fao.org.

10-24. Agricultural residues (crops)., www.fao.org.

10-25. Биодизельная война между Европой и США.,

10-26. Lenta.ru: Наука и техника: У использованных кофейных зерен нашли… www.lenta.ru

10-27. США приступили к разработке биотоплива нового поколения, www.dniimf.ru.

10-28. Pentagonus, Владимир Щербаков, www.vpk-news.ru.

10–29. Эскадренные миноносцы типа «Арли Бёрк» – Википедия., ru.wikipedia.org.

10-30. Offshore Membrane Enclosure for Growing Algae (OMEGA) | NASA…www. lunarscience.nasa.gov.

10–31. Американские военные перейдут на альтернативное топливо…, www.;topwor.ru.

10-32. Главное., biofuel., www.lenta.ru.

10–33. Автотранспорт ВМС США переходит на биотопливо., www.flot.com.

10-34. Истребители F-16 проверят биотопливом.,

www.aviaport.ru.

10-35. Фрегат ВМС США тестирует биотопливо из водорослей., www.rnd.cnews.ru.

10-36. Китай и США займутся разработкой биотоплива для самолетов., www.intemet.bibo.kz.

10-37. budet_proizvodit_biotoplivo_dlya_aviatsii_ usa.,_ www.cleandex.ru.

10-38. "Лента. Ру"

10-39. Вся нефть на Земле произошла от одной водоросли., www.rnd.cnews.ru.

10-41. Биотопливо – какой ценой? Государственная поддержка для этанола и биодизеля в СШАwww. д^ю^.

10-42. В США создают новую технологию получения биотоплива. www.autokadabra.ru.

10-43. В США созданы скоростные поезда на биотопливе., www.ecocluster.ru.

10–44. Government Support for Ethanol and Biodiesel in Selected OECD Countries., www.iisd.org.

10-45. Лидеры стран ЕС утвердили новую климатическую программу до., www.climatechange.ru.

10–46. ЕС может освободить землю для биотоплива., www.articles.economictimes.indiatimes.com.

10-47. В ЕС повышаются объёмы импорта биодизеля., www.Cleandex.ru.

10-48. Biodiesel as an alternative motor fuel, Production and policies in the…, www.sciencedirect.com.

10–49. Мировой рынок биодизеля: стагнация или новый рывок?. www.Cleandex.ru.

10-50. Энергетический налог: первая попытка – UA Energy.,

10-51. Биомасса ползет в бак., m.expert.ru.

10-52. The Global Potential of Bioenergy on Abandoned Agriculture Lands www.faculty.ucmerced.edu.

10-53. Опубликован ежегодный отчет об использовании биотоплива в Европе… www.lenles.info.

10-54. Биотопливо в Европе. Итоги 2010 года., www.cleandex.ru.

10–55. Европейский рынок биотоплива в 2009 году.,

10-56. ЕС: Производство и потребление биоэтанола продолжат расти – Зерно… www.zol.ru.

10-57. Биоэнергетика сегодня. Развитие биоэнергетики в разных странах. www.AlternativEnergy.ru.

10-58. Биогазовая энергетика: опыт ЕС., www.biogas-energy.ru.

10-59. Европейская система регулирования и квоты на биотопливо www.bioethanol.ru.

10-60. Biofuels – at what cost? Government support for ethanol and biodiesel in the European Union. Retrieved from., www.iisd.org.

10-61. В ЕС повышаются объёмы импорта биодизеля, www. cleandex.ru

10-62. Далеко идущие планы Финляндии в вопросах биотоплива., www.biodiesel.org.ua.

10-63. Биотопливо в Швеции, www.en.wikipedia.org.

10-64. Возобновляемые и устойчивые источники энергии., www.elsevier.com.

10-65. Энергетика: Энергия для устойчивого будущего – SWEDEN.SE www.sweden.se/ru.

10–66. Каким будетавиационноетопливобудущего?

www.safran.ru.

10-67. Инновационная технология., www.1prime.ru.

10-68. Source: Neste Oil, 21– 09-2011.Neste Oil, 21 – 09-2011. Further information: www.translate.googleusercontent.com.

10-69. (Биотопливо – альтернативный вид топлива.,

10-70. Королевские ВВС Нидерландов продемонстрировали вертолет Apache на биотопливе.,

10-71. BIOFUELS – AT WHAT COST ? Government support for ethanol and….www.iisd.org.

10–72. Biofuels – At What Cost? Mandating ethanol and biodiesel…,www.iisd.org.

10–73. Biofuels – At What Cost – International Institute for Sustainable ….www.iisd.org.

10–74. Разработка биотоплива вариант политики 12 ноября 2008., www.economictimes.com.

10-75. Индия, США совместное $ 125 млн фонд для исследований в экологически чистую энергию.,

articles.economictimes.indiatimes.com.

10-76. IOC Faridabad unit to pump in bio-fuel; R&D unit gearing to reduce pressure on conventional fuel., www.economictimes.com.

10-77. How Chennai startup is using seaweed to drive India's biofuel thrust…

articles.economictimes.indiatimes.com.

10–78. Wanted: An ethanol policy – Economic Times – Featured Articles…articles.economictimes.indiatimes.com.

10–79. Ethics of ethanol – Economic Times., arti-cles.economictimes.indiatimes.c.

10-80. Nitin Gadkari for uniform policy on ethanol-blending with petrol…, articles.economictimes.indiatimes.com.

10-81. Govt mandates ethanol blending in petrol – Economic Times.,

articles.economictimes.indiatimes.c..

10-82. В Индии биотопливо предполагают получать из семян мадуки и шореи…energobelarus.by.

10-83. articles.economictimes.indiatimes.com.

10–84. Toyota Motor Corporation eyeing using new biofuel for cars by 2020., www.economictimes.com.

10-85. Вагиф Мирзоев, Евгений Пущик: Бензин и этанол – мировые перспективы… www.infobio.ru.

10–86. Биодизельное топливо завоевывает Бразилию.,

www.minera1.ru.

10–87. Ученые создали топливо из кофейной гущи – ForUm for-ua.com.

10-88. Рынок биотоплива в Китае по итогам 2010 года составил 2342 тыс. тонн. www. abercade.ru.

10–89. Китай активнее переходит на биотопливо – Премьер ЭЛЕКТРО., www.pr-e1.ru.

10–90. www.autonews.ru.

10-91. В Китае будет построена установка по производству… – Abercade www.abercade.ru.

10–92. Китайские инвесторы вложат $120 млн. в производство… www.anyfoodanyfeed.com.

10–93. Boeing и Airbus изучают биотопливо в Китае., www.ato.ru.

10-94. Chinese airline partners with Boeing to make biofuel.,

www.wantchinatimes.com.

10–95. Биотопливо – будущее Китая., www.pr-el.ru.

10–96. Lu Yuanyuan, Renewable energy, www.wor1d.com.

10-97. Government support for ethanol and biodiesel in China.,

www.iisd.org.

10–98. Национальная биоэнергетическая компания Китая (NBE)., EnergyFuture.ru.

10-100. Government Support for Ethanol and Biodiesel in Indonesia., www.iisd.org.

10-101. Новости биотоплива / Таиланд занимает 3-е место в мире……www.bioethanol.ru.

10-102. Рынок масличных культур Таиланда: бизнес отчет 2010.,

10-103. Биогазовая электростанция, работающая на пальмовом масле (Таиланд, Азия)., www.generatorsets.ru.

10-104. Биоэнергетика России в ХХI веке., РЭА, Москва, 2012 г.

Глава 11. Биотоплива для авиации и транспорта

11.1. Авиация

Исследования в области производства и применения альтернативных моторных топлив в последнее время активно развиваются в разных странах мира. Одним из видов альтернативных моторных топлив являются биотоплива. [11-1].

По оценкам МЭА к 2050 году доля биотоплива в транспортной сфере может увеличиться до 750 млн. т. н. э. (по сравнению с текущим уровнем в 55 млн. т. н. э.) и составить 27 % всего транспортного топлива.

В 2010 году мировое производство жидких биотоплив выросло до 105 млрд. литров (86 млрд. л этанола и 19 млрд л биодизеля), что составляет 2,7 % от мирового потребления топлива на транспорте..

Европейская комиссия планирует довести к 2020 году вклад биотоплив до 10 %.

В Европе с 1 января 2010 года действует единый стандарт на биотопливо EN-PLUS.

Авиационное биотопливо, или biojet, является топливом, получаемым из биомассы и использующимся вместо или в смеси с керосином для реактивных двигателей для питания самолетов.[11-2].

В отличие от наземного транспорта реактивная авиация не имеет реальных альтернатив нефтяному жидкому топливу в обозримом будущем. Соответственно, гражданские и военные покупатели авиационного топлива находятся под усиливающимся давлением включения в авиацию биотопливных смесей. Разработка жизнеспособной цепочки поставок biojet в авиацию будет способствовать диверсификации поставок биотоплива из непродовольственных источников. [11-3].

Какое сырье является наиболее перспективным для производства авиационного биотоплива?

Виды сырья для авиабиотоплива варьирует в зависимости от географии и климата: рыжик, ятрофа, водоросли, и отходы.

Какова потенциальная возможность рынка?

На авиацию приходится до 12 % топлива, потребляемого всей транспортной отраслью, что эквивалентно примерно от 200 до 224 млн. т авиационного керосина год. Аналитики предлагаемого проекта показывают, что авиационное биотопливо заменит примерно 1 % от керосина к 2015 году, 25 % к 2025 году, и 30 % к 2030 году. Это представляет собой рыночную стоимость 2 млрд. долл. США, $ 56 млрд, а $ 68 млрд. соответственно, учитывая текущие цены на керосин. *

* Цена не учитывает будущих цен на нефть и экономию, связанную с углеродными кредитами. [11-4].

11.1.1. Финская компания NesteOil

Финская компания NesteOil поставила цель использовать биотоплива и другие ВИЭ в авиации в объеме 2 млн. тонн к 2020 г.

Авиакомпания Lufthansa (ФРГ) провела многолетние испытания авиабиотоплива – биокеросина и планирует полеты аэркрафта Airbus A321 по маршруту Гамбург-Франкфурт-Гамбург четыре раза в день. Один из его двигателей будет работать на 50/50 смеси регулярных топлива и биосинтетического керосина – продукта компании NesteOil, полчаемого из ятрофы, рыжика и животных жиров.

11.1.2. Шведская биотопливная компания «Swedish-Biofuels»

Шведская биотопливная компания «Swedish-Biofuels» имеет многолетний опыт в области исследований, разработки, демонстрации и внедрения альтернативных видов топлива для транспортной отрасли. Биотопливо AB, производимое этой компанией, полностью синтетическое и используется для реактивных двигателей. Технология основана на каталитическом синтезе смеси биоуглеводородов С-4 – С-20 из биоэтанола, получаемого из углеводов гидролизованной растительной биомассы.

Министерство обороны Швеции поручило компании «Swedish Biofuels» разработать топливо для истребителей JAS-39 Gripen на основе этанола, получаемого из древесины.

Рис. 11-1. Истрибитель JAS-39 Gripen[11-5].

Проект «Биотопливо для авиации» является частью шведско-американской программы сотрудничества по тематике альтернативных видов топлива. Разработка топлива для шведских истребителей ведется при участии правительств США и Швеции, а также компаний «СААБ», «Вольво Аэро» и «Дженерал электрик».

11.1.3. Биотопливо BtL – Biomass-to-Liquid

Биотопливо BtL – Biomass-to-Liquid (через синтез-газ) производится немецкой компанией «ChorunCarbo-V» из древесины и отходов деревообработки.

Преимущество этого вида топлива перед биоэтанолом и биодизелем состоит в том, что, в отличие от упомянутых продуктов, при производстве BtL древесина полностью перерабатывается.

По оценке немецких ученых, если BtL займет 20 % рынка ЕС, то в Европе можно уменьшить выбросы CO₂ на 200 млн тонн.

Новозеландская компания Lanza Tech разработала технологию производства биоэтанола из сингаза отходящих газов дымовых труб крупных производств или при газификации любой биомассы, включая лигнин, далее получаемый биоэтанол посредством каталитического синтеза по технологии SwedishBiofuels превращается в углеводороды.

Указанный проект финансируется Министерством обороны США.

11.1.4. Технология компании Licella

Технология компании Licella (Австралия) основана на обработке любой биомассы термогидравлическим ударом при температуре в реакторе 30 °C и давлении 250 атм. Время обработки – 30 минут.[11-6].

Результатами исследований специалистов компании «Licella» заинтересовались крупные компании, например, авиаперевозчик Virgin (Австралия). Компания «Licella» планирует вести производство топлива в достаточно крупных масштабах не только в Австралии, но и в Новой Зеландии. Технология позволяет производить дизельное топливо, бензин, а также авиационное топливо.

Австралийская компания Norske Skog и компания Licella создали новое совместное предприятие, называнное Licella Fibre Fuels (LFF).

Технология Университета Висконсина (Медисон, США) основана на гидролизе любой биомассы до углеводов и каталитическое превращение их в авиационный керосин (С12 – С15)через левулиновую кислоту и гамма-валеролактон в присутствии металлсодержащих катализаторов.[11-7]

Каталитическая переработка гамма-валеролактона является ключом к будущим полетам и к замене природного углеводородного топлива на возобновляемое.

Разработанная методика позволяет извлечь из исходной биомассы до 95 % энергии и не требует больших количеств водорода.

В качестве сырья для получения данного эфира рассматриваются такие биологические объекты, как древесина, стебли и листва кукурузы, прутьевидное просо и другая непищевая биомасса.

11.1.5. Испытания летательных аппаратов на биокеросине

Использование авиационного биотоплива мировой гражданской авиацией.

Список ведущих мировых авиакомпаний, проведших успешные испытания биотоплив на многотоннажных воздушных судах и использующих эти топлива в постоянной эксплуатации: LUFTHANSA Boing; VIRGIN ATLANTIC Boing 747; KLM Boing 737–800; CZECH AIRLINES Аэробус А300; INTERJET Аэробус А320-214; FINAIR Аэробус А319; IBERIA Аэробус А320.

К 2016 году доля использования в ВВС США альтернативных видов топлива должна составить 50 %.

ВМС США. Управление по разработке морских систем ВМС (NAVSEA) США подготовило эсминец "Пол Фостер" типа "Спрюэнс" к плаванию на смеси биотоплива и дизеля, сообщает DefenseNews.

К 2016 году американские ВМС станут Великим Зеленым Флотом, сообщает официальный сайт ВМС США.

11.1.6. Промышленная экология

Расчет выбросов загрязняющих веществ от авиадвигателей гражданских воздушных судов.

Воздействие авиационного транспорта на окружающую среду Выхлопные газы ВС. В авиации применяется два вида нефтяного топлива – керосин и бензин. Основное отличие по составу продуктов сгорания состоит в том, что этилированный бензин, используемый на самолетах с поршневыми двигателями, дает в отработавших газах свинец, являющийся одним из нежелательных компонентов загрязнения воздушной среды Роль самолетов с поршневыми двигателями в современной авиации незначительна и постоянно уменьшается, поэтому целесообразно ограничить рассмотрение только продуктов горения керосина.[11-8]. Помимо двуокиси углерода, паров воды, азота, а также некоторых других естественных компонентов атмосферного воздуха, продукты горения керосина содержат окись углерода, различные углеводороды (метан CH₄, ацетилен C₂H₆, этан C₂H₄, пропан C₃H₈, бензол C₆H₆, толуол C₆H₅CH₃ и др.), альдегиды (формальдегид HCHO, акролеин CH₂=CH-CHO, уксусный альдегид CH₃CHO и др.), окислы азота NO и N_O2, окислы серы, частицы сажи, создающие дымный шлейф за соплом двигателя и ряд других составляющих, образующихся в незначительных количествах из имеющихся в керосине примесей. Уровни содержания в атмосферном воздухе различных вредных веществ регламентируются предельно допустимыми концентрациями – ПДК. Стандартами США допустимый уровень концентрации углеводородов (суммарно) установлен равным 0,16 мг/м³ (в пересчете на эквивалентное количество метана). В авиации нормы предельно допустимых выбросов (ПДВ) устанавливаются в настоящее время по четырем вредным компонентам: окиси углерода (CO), несгоревшими углеводородами (СnHm), окислами азота (NОx), частицами сажи (дым).

11.1.7. Зелёное (Био-) топливо для авиации

В июле 2011 года Американское общество по тестированию материалов (ASTM) одобрило использование авиационного биотоплива. Таким образом, положено начало его коммерческому использованию, несмотря на то, что оно пока стоит в 2 раза дороже, чем обычный авиакеросин. Первая причина такова, что биотопливо производится в небольших объемах при больших затратах на производство. Согласно оптимистичным прогнозам, не более чем через 10 лет около 15 % всего потребляемого в авиации топлива будет приходиться на так называемый «зеленый керосин». А так же, по словам экспертов, отношение к биотопливу в скором времени может измениться.

Для этого существует три предпосылки.

Первая – рост цены на нефть вследствие сокращения имеющихся разведанных запасов. Тем же изменениям подвержено авиатопливо, так как на него приходится 30–40 % операционных расходов авиакомпаний. К примеру, в 2004 году British Airways потратила на керосин 1 млрд. фунтов, а сейчас – 4 млрд. фунтов. В то же время, еще как минимум 25–30 лет авиация проработает на жидком топливе, хотя в других отраслях возможно использование альтернативных источников энергии.

Вторая причина – это ужесточённые требования правительства ряда стран к использованию обычного керосина. Речь идёт о загрязнении окружающей среды в авиации. На самолеты приходится 600 000700 000 т выбросов углекислого газа в год (2 % от общего объема).

В-третьих, затраты на производства биотоплива будут снижаться вследствие удешевления сырья, на которое приходится около 70–85 % затрат, а так же за счёт увеличения объемов производства.

11.1.8. Самолетные выбросы (climate Institute)

Авиационные двигатели производят выбросы, аналогичные другим выбросам в результате сжигания ископаемого топлива. Тем не менее, самолетные выбросы необычны тем, что значительная часть выделяется непосредственно в верхней тропосфере и нижних слоях стратосферы, где они оказывают влияние на состав атмосферы. Это делает самолетные выбросы особенно мощными по сравнению с другими выбросами.

Три крупнейших в мире производителя авиалайнеров – европейская компания Airbus, американская Boeing, бразильская компания Embraer, выпускающие региональные лайнеры, подписали предварительное соглашение о сотрудничестве, направленном на создание новых, более экологичных видов авиационного топлива – совместно с компаниями – производителями биотоплива и при поддержке правительств стран мира.[11-9].

11.1.9. Авиация и изменение климата

На сектор воздушного транспорта в настоящее время приходится 3 % всех выбросов парниковых газов. Авиация может в ближайшие годы может стать основным источником выбросов парниковых газов, несмотря на улучшения в авиации энергоэффективности… В период с 1990 по 2003 год, выбросы парниковых газов от международного воздушного транспорта увеличились на 73 % в ЕС. Если сектор продолжит расти нынешними темпами, к 2012 году выбросы должны были увеличиться на 150 % с 1990 года.

11.1.10. Авиационное биотопливо [11–10]

Авиационное биотопливо широко рассматриваемое в авиационной отрасли является одним из основных средств с помощью которых промышленность может снизить выбросы углекислого газа..

Обоснование для авиации биотоплива

В дополнение к созданию более экономичных самолетов и их более эффективной эксплуатации, изменении источников топлива является одним из немногих вариантов для снижения выбросов углерода в авиационной промышленности.

Промышленные обязательства и сотрудничества.

Международная ассоциация воздушного транспорта (IATA) поддерживает исследования, разработки и внедрения альтернативных видов топлива. IATA считает, что доля возобновляемых биотоплив второго поколения в объеме 6 % может быть достигнуто к 2020 году и авиакомпания Boeing планирует довести эту долю до 1 % к 2015 г. А к 2050 г. во всей мировой гражданской авиации снизить объем выбрасов диоксида углерода до 50 % по отношению к 2005 г. Группа заинтересованных авиакомпаний сформировал устойчивое авиационное топливо Users Group (SAFUG). Группа была создана в 2008 году в сотрудничестве с поддержкой неправительственных организаций, таких как Natural Resources Defense Council. Члены этой группы составляют более 15 % отрасли, и руководители всех государств-членов подписали обязательство работать на развитие и использование устойчивых видов биотоплива для авиации..

Производство маршрутов и источников.

Реактивное топливо представляет собой смесь из большого количества различных углеводородов. Диапазон их размеров (молекулярный вес углеводорода) ограничевается требованиями к продукции, например, к точке замерзания и точке дымообразования. Топлива для реактивных двигателей классифицируются как керосин или типа керосина. Авиакеросин включает марки: Jet A, Jet A-1, JP-5 и JP-8. Топливо типа Нафта для реактивных двигателей включает также марки Jet B и JP-4.

BIO-SPK.

Первое направление заключается в использовании углеводородов из растительных источников, таких как ятрофа, рыжик (Camelina), водоросли, животный жир-tallows, другие растительные масла, получившие название био-SPK (био синтетический парафиновый керосин).

Компании, работающие по получению реативного топлива из водорослей являются Solazyme, Honeywell UOP, Solena, Sapphire Energy, Imperium. Университет штата Аризона и Cranfield University также работают в этом направлении.

Основными инвесторами для исследование по получению био-СПК из водорослей являются Boeing, Honeywell / UOP, Air New Zealand, Continental Air-lines, авиакомпания Японии и General Electric. FT-SPK

Второе направление включает переработку твердых биомасс с использованием пиролиза для производства био-нефти или газификации для получения синтез-газа, который затем перерабатывается в FT СПК-FT-SPK (Фишера-Тропша синтетический парафиновый керосин).

Другие исследования основываются на использовании спиртов, таких как этанол или бутанол, которые перерабатывается в топливо для реактивных двигателей.

Коммерческие и Демонстрационные полеты.

С 2008 года большое количество испытательных полетов было проведено, а в июле 2011 года несколько коммерческих полетов с пассажирами было произведено с разрешения ASTM (ASTM International (American Society for Testing and Materials) – американская международная добровольная организация, разрабатывающая и издающая стандарты для материалов, продуктов, систем и услуг).

Таблица. 11-1

Испытательные полеты на биотопливе

15 июля 2011 г. немецкая авиакомпания Lufthansa совершила первый коммерческий рейс по маршруту Гамбург – Франкфурт – на – Майне на смеси традиционного керосина и биотоплива, произведенного фитнской компанией Neste Oil. Использование биотоплива NExNTL стало возможным в авиации после 1 июля 2011 г., когда данный вид топлива был одобрен ASTM International – Американским обществом испытаний и материалов [11–11].

Бразильская авиастроительная компания Embraer совместно с американским производителем авиадвигателей General Electric (GE) провели серию тестовых полетов самолета Е170 с использованием биотоплива. Испытания проходили на заводе Embraer в городе Гавиан-Пейшоту, Бразилия. В ходе тестовых полетов изучались сравнительные эксплуатационные характеристики самолета, оснащенного двигателями CF34-8E, один из которых был заправлен смесью топлива Jet A1 и топлива, прошедшего гидроочистку, состоящего из сложных эфиров и жирных кислот, производимого из растительного масла (Hydro-processed Esters and Fatty Acids – HEFA).

В результате испытаний Embraer и GE признали биотопливо эффективным, подтвердили дальнейшие планы по его тестированию и приняли решение о необходимости активизировать совместные усилия для поддержки и развития производства различных видов биотоплива для авиации [11–12,11-13].

В конце ноября 2010 г. бразильская авиакомпания TAM совместно с Airbus выполнила первый тестовый полет на Airbus A320, заправленном смесью из традиционного авиационного керосина и биотоплива в пропорции 50/50. Лайнер с 20 пассажирами на борту провел в воздухе 45 минут. Оказалось, биосинтетический керосин обладает теми же свойствами, что и обычное топливо, и его можно применять на всех типах воздушных судов без модификации самолета или его двигателей.

К экспериментам с биотопливом не брезгуют подключаться такие маститые авиакомпании, как Lufthansa и KLM. Обе компании в 2011 г. провели испытания работы двигателей самых обычных лайнеров из своего парка на смеси керосина и "биосоставляющей" в пропорции 50/50. И вполне успешно. А уже 13 января 2012 г. Boeing 747–400 авиакомпании Lufthansa с 40 т биосинтетической топливной смеси на борту успешно выполнил первый трансатлантический перелет. [11–14]

Первые коммерческие полеты с использованием BioJet топлива начались осенью 2011 года.

Lufthansa на биоавиатопливе "NExBTL» фирмы Neste Oil провела 1187 испытательных полетов по маршруту между Франкфуртом и Гамбургом. Это уникальное испытание биотоплива подошло к концу в январе 2012 года, и начались регулярные межконтинентальные рейсы между Франкфуртом и Вашингтоном. Сотрудничества и технического испытания будет продолжаться, и Lufthansa теперь будет сосредоточена на устойчивость, доступность и сертификации сырья и материалов.

Авиакомпания Thomson Airways провела первый коммерческий рейс в Европу, используя биотоплива, 6 октября 2011 года на аэркрафте Boeing 757–200 с 232 пассажирами из аэропорта Бирмингема., биоавиатопливо SkyNRG, Нидерланды использовалось в одном двигателе.

ЕС, в координации с Airbus, ведущими европейскиими авиакомпаниями (Lufthansa, Air France / KLM, British Airways и) и ключевыми европейскими производителями биотоплива (Choren Industries, Neste Oil, Группа биомассы технологии и UOP), выступил с инициативой ускорить коммерциализации авиационного биотоплива в Европе.

Ранее биотоплива в авиации были испытаны в ряде стран.

29.03.10 Штурмовик А-10 летает на смеси биотоплива и авиакеросина 29 марта 2010 г.

26 марта штурмовик А-10 Thunderbolt II совершил первый полет с использованием в обоих двигателях топлива со смесью биотоплива и обычного авиакеросина JP-8. Полет состоялся на базе Эглин ВВС США, расположенного вблизи Вальпараисо (штат Флорида).

Это был первый полет летательного аппарата, вся силовая установка которого работала на биотопливе. Испытательный полет явился частью работ по разработке этого вида топлива (программа HRJ – hydrotreated renewable jet), который в отличие от обычного реактивного топлива горит чище, без выделения таких соединений как сера. Работами по созданию биотоплива занимается НИИ Дейтонского университета (штат Огайо).

В качестве биокомпонента послужило семейство растений камелина (рыжик), родственное горчице, капусте и брокколи, но не используемое в качестве пищи. При сжигании биотоплива уменьшается выброс твердых частиц.

Это событие знаменует собой важный этап программы разработки альтернативных топлив. Такой вид топлива этим летом пройдет сертификацию на самолетах F-15 Eagle, F-22 Raptor и C-17 Globemaster III.

К 2016 году доля использования в ВВС США альтернативных видов топлива должна составить 50 %. Как заявил помощник министра ВВС по окружающей среде и логистике Терри Йонкерс (Terry Yonkers), полет штурмовика А-10 на альтернативном топливе «подчеркивает нашу приверженность по продвижению технологий по увеличению использования возобновляемых источников энергии и сокращения объемов импортируемой нефти». [11–15,11-16].

Группа из 10 авиакомпаний во главе с American Airlines и United Continental Holdings, также включает в себя Alaska Airlines, FedEx, Frontier Airlines, JetBlue Airways, Southwest Airlines и США Airways, базирующихся в США, а также Air Canada и Lufthansa, подписали с Вашингтоном договора о намерениях на основе технологий компании Solena создать производство топлива для реактивных двигателей., полученного исключительно из отходов биомассы.

Около 52 тысяч тонн реактивного топлива предполагалось производить из переработанных 550 000 тонн городских и сельскохозяйственных отходов на заводе, который должен быть построен компанией Solena в округе Санта-Клара, штат Калифорния, в 2013 году, и доставляться в аэропорты в Сан-Франциско, Окленд и Сан– Хосе. [11–17].

Это реактивное биотопливо в смеси 50/50 с нефтяным керосином будет использоваться в авиационных двигателях.

За этим соглашением последует ряд других. Solena Group, а также передовые компании в области биоэнергетики и биотоплива, подписали соглашения в этом году с перевозчиками по всему миру.

LOI с British Airways также создадут первый в Европе завод по производству авиационного биотоплива в восточном Лондоне с целью преобразования 550000 тонн отходов в год, в противном случае, предназначенные для свалки мощностью на 16 миллионов галлонов реактивного биотоплива.[11–18].

После ввода в эксплуатацию в 2014 году этот завод стоимостью 200 млн фунтов будет конвертировать до 500,000 тыс. тонн отходов в год в 16 млн. галлонов (52 тыс. тонн) авиабиотоплива, которого будет достаточно для питания 2 % своих самолетов на главной базе в Хитроу.

Аналогичный завод планируется построить в Австралии.

Компания Solena ведущая в мире по производству транспортных биотоплив уверена, что самолеты могут работать на чистом биотоплива без смешения с нефтяным реактивным топливом.

Эксперты уверены, что в ближайшем будущем авиационное биотопливо будет дешевле нефтяного из-за более высоких цен на нефть.

В качестве основного сырьевого источника для производства авиационных биотоплив эксперты рассматривают морские и пресноводные водоросли.

Экологические преимущества.

По оценке Йельского университета (США) биотопливо из ятрофы позволит сократить выбросы парниковых газов до 85 %. Кроме того, биотопливо не содержит сернистых соединений и, следовательно, не выделяют диоксид серы.

В Европейском Союзе, выбросы парниковых газов от авиации увеличились на 87 % в период между 1990 и 2006 гг.

Neste Oil начала эксплуатацию крупнейшего завода в Европе по производству биотоплив на Роттердамской Маасвлакте. Это является важной вехой в реализации стратегии более чистого транспорта Neste Oil и укрепляет позиции компании как ведущего производителя в мире возобновляемые биотоплива. Завод был завершен в рамках бюджета и в соответствии с графиком… Производство в Роттердаме будет увеличиваться постепенно и может достигать максимум 800 тысяч тонн в год [11–19].

Общий объем производства финской компании в настоящее время 2 млн. тонн в год… В прошлом году завод идентичный заводу в Роттердаме вошел в эксплуатацию в Сингапуре. Две установки эксплуатируются в Порвоо в Финляндии с 2007 по 2009 год. Все эти заводы производят NExBTL (bio-to-liquid) возобновляемые биотоплива, а также имеют возможность производить NExBTL возобновляемых авиационного топлива. Neste может сделать это топливо практически из любого растительного масла или жира, отходов животноводства, благодаря своим технологиям. NExBTL возобновляемое биотопливо компании Neste Oil высокого качества и можно использовать во всех дизельных двигателях и существующих системах распределения топлива… Топливо предлагает отличную производительность при низких температурах и может быть использован в чистом виде или в смеси с дизельным ископаемых… NExBTL можно добиться сокращения выбросов парниковых до 80 % по сравнению с ископаемым дизельным топливом. Низким уровнем выбросов выхлопных газов и способствуют улучшению общего качества воздуха. Source: Neste Oil, 21– 09-2011.

Авиационная промышленность активно ищет замену для обычного реактивного топлива за счет использования биотоплива. Air New Zealand и Continental Air-lines в последнее время совершил два успешных испытательных полета (Air New Zealand, 2008; ATW, 2009). Кроме того, Virgin Atlantic (2008) сообщила об успешных испытательных полетах с использованием биотоплива. [11–20].

Общая цель довести к 2017 году использование биотоплива в авиации до 10 % или 34 млн. тонн.

На втором месте рейтинга возобновляемых энергетических компаний, по биотопливу Digest, Sapphire Energy, утверждают, что они могут производить 40–56 млн. т авиационного топлива из водоросли в течение трех лет (ATW, 2009). Тем не менее, эта способность является незначительным по сравнению с Целью: 10 % биореактивный использования топлива и потребует развития ускоренного курса программы в целях обеспечения необходимых объемов производства.

Добро пожаловать в АЛЬФА-BIRD проект.

ALFA-BIRD проект (альтернативные виды топлива и биотоплива для авиации) – финансируется ЕС в 7-й Рамочной программе научных исследований и технологического развития, с июля 2008 года. ALFA-BIRD – R&D проект, направленный на эффективные технические решения. Его цель заключается в том, чтобы исследовать и разработать целый ряд альтернативных видов топлива для использования в авиации, руководствуясь необходимостью обеспечить устойчивый рост гражданской авиации, касающиеся воздействия ископаемых видов топлива по изменению климата и в контексте цен на нефть, которые являются крайне неустойчивыми и увеличение в долгосрочной перспективе.

Основной задачей в работе проекта разработать топлива, которые отвечают весьма строгим требованиям авиации (например, рейс в очень холодных условиях) и совместимы с современной гражданской авиацией, которые являются обязательными в течение почти 50 лет. Для решения этой задачи, ALFA-BIRD собирает несколько дисциплинарных консорциум с ключевыми промышленными партнерами от аэронавтики (производителей двигателей, авиастроителей) и топливной промышленности и научно-исследовательских организаций, охватывающих широкий спектр опыта и знаний в области биохимии, горения, а также промышленной безопасности. Объединяя свои знания, консорциум будет развивать всю цепочку для чистых альтернативных видов топлива для авиации. Наиболее перспективные решения будут рассматриваться в ходе проекта, от классических из них (растительных масел, синтетического топлива) для самых новаторских, такие как новый органических молекул. Основываясь на первый отбор наиболее релевантные альтернативные виды топлива, проводится подробный анализ 4 новых видов топлива….

Компания LanzaTech (Новая Зеландия) на основе возобновляемых источников энергии ведет переговоры со своими партнерами – IndianOil и Jindal Steel & Power – чтобы помочь им создать завод по производству коммерческого биологического реактивного топлива из этанола. В качестве первого шага, Lanza Tech открыла офис в стране в первой половине 2012 года в рамках своего плана по расширению своей деятельности в Индии.[11–21].

IndianOil и Jindal Steel & Power (JSPL) обсудили планы для совместной работы, чтобы ускорить внедрение технологии LanzaTech к производству топливного этанола из промышленных отходящих газов.

Британская авиакомпания Virgin Atlantic проведет испытания в течение трех лет биореактивного топлива при полетах по маршруту Шанхай-Нью-Дели-Лондон Хитроу. LanzaTech имеет технологию для преобразования угарного газа, синтез-газа, а также отходящих газов сталелитейных заводов в этанол и ведет переговоры со всеми крупными производителями стали в Индии, в том числе JSPL, Posco и SAIL.. "

Air NZ была на переднем крае разработки биотоплива[11–22].

Авиакомпании Air New Zealand и Virgin Australia объявили, что они будут работать с разработчиком авиабиотопливом компанией Licella.

Licella разработала процесс превращения биоотходов, таких как отходы сельского хозяйства на биоуглеводороды с помощью технологии, называемой каталитической гидротермальной реакцией (CAT-hr).

Технология CAT-HR предлагает экологически чистую, быструю и экономически эффективную альтернативу для производства биоавиатоплива.

Демонстрационный завод будет создан на севере от Сиднея с помощью государственного финансирования.

Авиакомпания Air NZ подписала меморандум о взаимопонимании с компанией Licella по созданию профильного завода в Новой Зеландии.

Рис. 11-2. Пассажирский самолет компании Thomson Airways заправляется устойчивым биотопливом.[11–23]

11.1.11. Европейских инициативы по коммерциализации авиационного биотоплива в Европе [11–24]

ЕС, в координации с Airbus, ведущими европейскими авиакомпаниями (Luf-thansa, Air France / KLM, British Airways и) и ключевыми европейскими производители биотоплива (Choren Industries, Neste Oil, Группа биотехнологии и UOP), выступил с инициативой ускорить коммерциализации авиационного биотоплива в Европе.

Соответствующий семинара был проведен 20 Septmber 2011 года в Брюсселе. Эта инициатива, с надписью "Европейские передовые виды биотоплива. Траектория полета" – это дорожная карта с четкими вехами для достижения годового объема производства двух миллионов тонн биотоплива для авиации к 2020 году. «Биотопливо. Траектория полета» является общими и добровольными обязательствами для своих членов, чтобы поддержать и развивать производство, хранение и устойчивое распространение биотоплива для использования в авиации. Инициатива также направлена на создание надлежащих финансовых механизмов для поддержки строительства промышленных "первых в своем роде" продвинутых заводов по производству биотоплива.

Основные выводы технического документа были представлены заинтересованными сторонами в ходе семинара «Достижение 2 млн. тонн для использования биотоплива в авиации в 2020 году», состоявшегося в Брюсселе 18 мая 2011 года. [11–25].

11.1.12. Биотопливо в авиации – сырье и технологии преобразования [11–26]

Авиакомпания Airbus объединилась с компаниями Honeywell Aerospace, UOP, компанией Honeywell, International Aero Engines (IAE) и JetBlue Airways для продолжения развития производства биотоплива второго поколения для использования в коммерческих самолетах. Биотопливо Второго поколения на основе ятрофы и Camelina (рыжик) успешно смешивается с топливом Jet A в демонстрационных полетах.

В августе 2008 года, впервые в мире реактивное топлива из водорослей было произведено компанией Solazyme. Это топливо прошло самый критический тест спецификации ASTM D1655.

В январе 2009 года Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) награжден Science Applications International Corporation (SAIC) $ 25 млн. За контракт на разработку реактивного топлива (JP-8) из водорослей.

Лаборатория исследования водорослей и биотехнологии Университет штата Аризона, Лаборатория Heliae (штат Аризона-промышленное выращивание водорослей для транспорта) и компания ООО Science Foundation Аризоны также сотрудничают в разработке керосина для реактивного топлива на основе водорослей.

Компания Virent BioForming (МЕдисон, штат Висконсин), разработавшая промышленный процесс каталитического превращения растительных сахаров в жидкие углеводородные топлива, также может потенциально быть использована для производства топлива для реактивных двигателей из возобновляемого биосырья. Эта компания получила 46 млн. долл. США на дальнейшие разработки технологий по производству углеводородов из водорослей.

ALFA-BIRD[11–27]. Авиакомпания АЛЬФА-BIRD создает многопрофильный консорциум, направленный на развитие использования альтернативных видов топлива в авиации, с ключевыми промышленными партнерами из аэронавтики (производители двигателей, производители самолетов), топливной промышленностью и научно-исследовательскими организациями, охватывающими широкий спектр знаний в области биохимия, сгорания, а также промышленной безопасности. Объединив свои знания, консорциум будет развивать всю цепочку для чистых альтернативных видов топлива для авиации. Наиболее перспективные решения будут рассмотрены в ходе реализации проекта, начиная от классических (растительные масла, синтетические топлива) до наиболее инновационных, таких как новые органические молекулы. На основании первого выбора наиболее соответствующих альтернативных видов топлива, детальный анализ до 5 новых видов топлива будет осуществляться с испытаниями в реальных условиях.

Рис. 11-4, Технология Virent создает продукты, которые могут заменить более 90 % произведенных из нефти.

Проект BioTfuel (Франция) [11–28].

Цель BioTfueL проекта, начатого в 2010 году, развитие производственной цепочки для 2-го поколения биодизельного топлива и биокеросина… Проект BioTfuel поддерживается Ademe (французским Агенством по окружающей среде и энергетике) и областным советом

Пикардии. Проект объединяет R & D органы – IFP Новых Энергий и CEA – и промышленных игроков – Axens, Sofi-proteol, Total и Уде. Это партнерство позволяет охватывать всю цепочку, от ресурса к топливу, и от R & D в промышленности.

Девиз R&D-центра – «интеллект, воплощенный в металле» – хорошо отражает генеральную двуединую задачу – выполнять фундаментальные и прикладные исследования на математических и натурных моделях и воплощать их результаты в новых конструкторских и технологических разработках.

Состав R&D-ucHTpa

Рис. 11-5, Основные страны профпроизводителей и потребителей биотоплива в Европе. [11–29].

Рис. 11-6, Схематическое изображение Проекта BioTfueL. [11–30].

Проект BioTfuel оцениватся в 112.7 млн. Евро совместного проекта пяти французских партнеров и Уде. BioTfueL направлена на интеграцию всех этапов технологической цепочки BTL и доведения их до рынка. Проект включает в себя строительство и эксплуатация двух опытных заводов во Франции по производству биодизеля и biokerosene (биотопливо для реактивных двигателей), основанные на газификации биомассы. Заводы планировалось запустить в эксплуатацию в 2012 году.

Проект Clean Sky JTI (Проект ЕС) самая амбициозная авиационная программа исследований когдалибо запущенный в Европе. Его миссия заключается в разработке прорывных технологий, чтобы значительно увеличить экологическую чистоту самолетов и воздушного транспорта, в результате чего производить менее шумные и более экономичные самолеты, следовательно, принося существенный вклад в достижение единого европейского неба ради экологических целей.

Проект создан в 2008 году и будет разрабатываться до 31 декабря 2017 года. Стоимость проекта 1.6 млрд. Евро.

Согласно проекту должны быть достигнуто в 2020 году:

• 50 % сокращение выбросов CO₂ благодаря резкому сокращению расхода топлива;

• 80 % снижение выбросов NOx (оксидов азота);

• 50 % снижение внешних шумов;

• зеленый жизненный цикл продукта: проектирование, изготовление, техническое обслуживание и утилизация / переработка.

В сотрудничестве с Европейской комиссией, ведущих авиакомпаний и производителей биотоплива, Airbus помогла запустить амбициозный отраслевой инициативой, чтобы помочь ускорить коммерциализацию авиационного биотоплива в Европе.

В апреле 2011 года авиакомпании Airbus и Interjet успешно провели первый полет в Мексику на биотопливе из ятрофы в рамках продолжающихся усилий для ускорения коммерциализации в стране альтернативных видов топлива для авиации. Этот проект использовал лайнер А320, который вылетел из Мехико в южный штат Чьяпас с одним из его двигателей на базе 30-процентов биотоплива.

Airbus также изучает новые пути для получения устойчивого авиационного топлива в консорциум, который включает в себя авиакомпанию Virgin (Австралия), с целью преобразования эвкалипта малли – которые являются коренными растениями Австралии – в альтернативное топливо с помощью процесса, называемого пиролизом. Этот консорциум включает в себя будущее Farm Industries CRC, которая занимается разработкой систем устойчивого сельского хозяйства в рамках совместных исследований программы правительства (CRC) Австралии.

Авиастроительные компании Boeing, Airbus, бразильская авиастроительная компания Embraer объединились для содействия в развитии авиационных биотоплив.[11–31].

Крупнейшие в мире производители коммерческих самолетов Airbus, Boeing и Embraer объединились, чтобы работать единым фронтом с правительствами при производстве биотоплив для авиации.

Авиакомпании Airbus и Boeing представили несколько интересных достижений в производстве биотоплива. Самолет Boeing C-17 Globemaster III был утвержден ВВС США для испытания смеси биотоплива с нефтяным керосином. Компания Boeing также работала с Air China и PetroChina для создания биотоплива для китайских самолетов. В 2011 году Lufthansa проводила более 1000 рейсов Airbus A321 с топливом с содержанием 50 % биотоплива.

Китайская нефтяная компания начинает производство биотоплива для авиации[11–32].

Air China, Boeing и партнеры провели первые полеты с биотопливом, произведенным в Китае 28 октября 2011.

Крупнейший нефтеперерабатывающий завод Китая приступил к подготовке производства авиационного биотоплива с использованием технологии, разработанной в своих исследовательских лабораториях..

По данным местных СМИ, Sinopec начала исследования биотоплива для самолетов в 2009 году и достигли ключевых достижений в 2011 году, что позволило ему начать производство на своем заводе Ханчжоу к концу года.

Различные животные жиры и растительные масла обеспечивают сырьем для топлива, которое производится с использованием технологии гидрирования Sinopec. На компанию Sinopec приходится 70 процентов производств отечественногоа авиационного топлива. Китая.

11.1.13. Alitalia и Solena договариваются о производстве биотоплива

Авиакомпания Alitalia (Италия) подписала соглашение с американской биоэнергетической группой Solena, которое предусматривает оценку возможности переработки бытового мусора в биологическое топливо для самолетов. Первым этапом в ходе реализации подписанного соглашения о намерениях будет технико-экономическое обоснование проекта. На данном этапе стороны проанализируют возможность создания завода для переработки бытовых отходов в газ. Впоследствии этот газ будет превращаться в жидкое биологическое топливо посредством процесса Фишера-Тропша. В 2010 году похожее соглашение с компанией Solena подписал британский перевозчик British Airways. Согласно этому договору авиакомпания будет покупать с 2014 года все биотопливо, производимое на заводе GreenSky (восточная часть Лондона).

11.1.14. Немецкий авиаперевозчик

Немецкий авиаперевозчик будет выращивать сырье для жидкого биотоплива в России, а переработкой займется финская Neste Oil в Нидерландах. [11–34].

Компания «Люфтганза» проведя эксперименты по использованию жидкого биотоплива в Европе, намерена изучить возможности выращивания сырья для производства этого вида топлива в России.

Вместе с тем немецкий авиаперевозчик не исключает возможности вернуться к применению биокеросина при перевозках пассажиров. Для расширения рынка и объемов производства биотоплива представители этой компании провели переговоры с региональной властью Пензинской области (Россия) на конференции в Германии. Речь шла о выращивании посевной культуры – рыжик. Эту маличную культуру уже возделывают в Пензенской области. В 2011 году Германия приобрела здесь первую пробную партию – 600 тонн пензенского рыжикового масла. Немецко-финско-российское сотрудничество в области производства жидкого биотоплива из рыжика будет одним из первых в России, но не первым в Европе.

В 2011 году в Румынии был начат похожий проект между компаниями Airbus и Tarom. Они организовали один из первых в Европе проектов, направленный на создание стабильной системы производства биологического сырья и его переработки для получения биологического керосина. Проект, реализуемый на территории Румынии, ставит перед собой цель организовать производство биотоплива из масла Camelina (рыжика посевного) и представить его на рынке в качестве экологически безопасной и возобновляемой альтернативы устаревшему авиационному бензину. Руководство проектом взяла на себя румынская неправительственная организация, компания Airbus займется разработкой цепи создания стоимости биокеросина.

Справка: Рыжик посевной – Camelina – неприхотливая культура, не требующая обильных поливов и обладающая высоким потенциалом для сокращения выбросов парниковых газов. Camelina может без особых сложностей выращиваться и заготавливаться на небольших семейных фермах. Эта масличная культура также является высококачественным побочным продуктом для производства кормов для сельскохозяйственных животных.

11.1.15. Авиакомпания Qantas испытает биотопливо из морских водорослей [11–35]

Авиакомпания Qantas (Австралия) подписала контракт с американской энергетической компанией Solazyme о совместной работе по внедрению технологии производства биологического топлива из морских водорослей в Австралии. Подобное соглашение Qantas также подписала с компанией Solena (США), которая занимается производством биотоплива из бытовых отходов. Подписанные соглашения являются частью программы авиакомпании Qantas, направленной на оценку возможности использования альтернативных видов топлива, а также на поиск партнеров в этой области. «Затраты и экологические последствия, связанные с традиционными видами реактивного топлива, приводят к необходимости коммерциализации альтернативных источников топлива. Qantas будет оценивать возможность использования каждой технологии на основании коммерческих и устойчивых критериев», – отметил руководитель Qantas Алан Джойс.

11.1.16. Водоросли для биотоплива на Шри-Ланке, Китае и Европе

Австралийская компания Algae.Tec. разработала промышленную технологию высокодоходного роста водорослей в закрытых системах для производства биотоплив. Компания Algae.Tec в настоящее время реализует ряд проектов по выращиванию водорослей для биотоплива в Австралии, Шри-Ланке и Китае… У них также есть договоренность с европейской авиакомпанией Lufthansa для развития биотоплива авиации.[11–36].

СОЗДАНИЕ РЕАКТИВНОГО ТОПЛИВА ИЗ ОТХОДОВ РАСТИТЕЛЬНОГО И ЖИВОТНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ – НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Левулиновая кислота, получаемая из гексоз (6-углеродный сахар), открывает новый магистральный путь по широкомасштабному производству реактивного биотоплива из любых видов биомассы.

Левулиновая кислота СН₃-СО-(СН₂)2-СООН – гамма-кето-кислота. Получается кипячением гексоз с соляной или серной кислотами., имеет свойства карболовой кислоты и кетонов.

11.1.17. Топливо для реактивных двигателей из рыжика, ятрофа, и водоросли

Camelina – цветущий стебель, который может достигать нескольких метров в высоту, и она может быть выращена на пшеничных полях, которые оставляют под паром… Топливо с рыжиковым маслом было испытано в Японии на Boeing 747, летавшим в течение 90 минут.

Рис. 11-9. Внешний вид Camelina

Другим сырьем является ятрофа, ядовитый кустарник, который может вырасти до девяти футов на почве, которая не может выдержать продовольственных культур.

Как и ятрофа, водоросли можно выращивать в загрязненной воде, следовательно, их производство в большом количестве не было бы проблемой. Извлечение масла из этих двух культур, однако, носит сложный характер.

Масла из ятрофы и водорослей были смешаны с 50 % обычного реактивного топлива, и смесь была использована Boeing 737 авиакомпании Continental Airlines для завершения двухчасовой испытательный полет из Хьюстона – первый американский коммерческий рейс использования биотоплива. Japan Airlines использовала смесь рыжика, ятрофы и водорослей для испытательного полета.

11.2. Моторные топлива [11–37]

Разработан процесс, позволяющий получить авиатопливо высокой энергетической емкости из растительных отходов. Каталитическая переработка гамма-валеролактона является ключом к будущим полетам и к замене природного углеводородного топлива на возобновляемое.

11.2.1. Получение гамма-валеролактона

Группа инженеров из университета Висконсина объявила о разработке высокоэффективного и безвредного для окружающей среды метода селективной переработки гамма-валеролактона (лактона валериановой кислоты), получаемого из биомассы, в химический эквивалент авиатоплива.

Разработанная методика позволяет извлечь из исходной биомассы до 95 % энергии и не требует больших количеств водорода. Ученым удалось подобрать металлический катализатор, в присутствии которого левулиновая и муравьиная кислота образуют гамма-валеролактон. Сейчас он вырабатывается в небольших количествах как растительная добавка к продуктам питания и парфюмерии. На следующем этапе было разработано лабораторное оборудование, которое с помощью стабильного в обычных условиях и недорогого катализатора перерабатывает водные растворы гамма-валеролактона в авиатопливо через двухстадийный процесс. На первом этапе гамма-валеролактон расщепляется на бутен и углекислый газ. На втором этапе из бутена получают алкеновые олигомеры. Авторы методики утверждают, что ее использование возможно в промышленных масштабах и не требует особенно сложного оборудования или катализаторов. Об актуальности исследования говорит то, что до сих пор из биомассы чаще всего получают лишь этанол и другие низшие спирты. Они в больших объемах могут добавляться в бензин, не изменяя свойств и достоинств автомобильного топлива, однако совершенно не могут использоваться как авиатопливо из-за низкой энергоемкости. Кроме того, и для автомобилей спирты могут служить лишь добавкой к алкановому (углеводородному) топливу. А вот углеводороды, производимые из гамма-валеролактона, практически эквивалентны используемым в современной инфраструктуре (с той разницей, что алканы – углеводороды насыщенного ряда, а алкены – ненасыщенного, и для получения алканов их нужно гидрировать). До сих пор наибольшую проблему для внедрения нового топлива представляла высокая цена гамма-валеролактона, так как методики его получения были дорогими и несовершенными. Теперь ученые работают над созданием более эффективных и простых методик его промышленной выработки. В качестве сырья для получения данного эфира рассматриваются такие биологические объекты, как древесина, стебли и листва кукурузы, прутьевидное просо и другая непищевая биомасса. «Как только будет найден эффективный способ промышленного синтеза гамма-валеролактона, путь к неограниченному получению возобновляемого авиатоплива будет полностью открыт», – заключают авторы работы.

Производство HMF, DMF, Левулиновая кислоты и гамма-GVL валеролактон с помощью катализа. Исследователи из Университета Висконсина, Мэдисон, проводили исследования преобразование целлюлозных материалов до 5-оксиметилфурфурола (HMF), которые затем могут быть преобразованы в алкенов (строительные блоки для синтетических видов топлива). Этот процесс требует дорогих кетонов, а также производства левулиновой кислоты и муравьиной кислоты.

Менее дорогостоящие катализаторы могут быть использованы для преобразования этих кислот в гамма-валеролактон (ГВЛ). GVL может быть катализатором в бутен, который легко превращается в транспортное топливо, с общей эффективностью 95 % (ГВЛ -> топливо). Исследования в настоящее время сосредоточены на поиске высокоэффективных маршрут из целлюлозы GVL.

Оксиметилфурфурола могут быть преобразованы в 2,5-Dime-thylfuran (DMF), который имеет потенциал для использования в качестве биотоплива. В июне 2012 года исследователи из Университета Дели опубликованные каталитический метод быстрого синтеза биотоплива DMF в энергетическом обзоре Беркли.

EC FP7 проект DIBANET развивает производство и использование левулиновой кислоты для получения дизельного топлива (через этерификацию этанола с левулиновой кислотой на твердых кислотных катализаторов).

Исследователи из Университета наук и технологий Китая разработали новый маршрут для каталитического преобразования углеводов биомассы в гамма-валеролактон (ГВЛ) без использования внешнего H 2. Модельный эксперимент с глюкозой с выходом 48 %. гамма-валеролактона [55]. Shell также сообщает об испытании смесей этилового валерат (EV), полученных путем гидрирования гамма-валеролактон (ГВЛ) в валериановой кислотой с последующей этерификации. «Бензин в смеси с 10–20 % EV будет в значительной мере соответствует европейским спецификациям бензина (EN 228). EV так-же приводит к увеличению октановой скорости (RON и MON) топлива, без ущерба для других характеристик, таких как коррозия и образование бляшек. Плотность топлива и кислорода также увеличивается. EV также снижает волатильность и уровней ароматических углеводородов, олефинов и серы». [11–56].

С 2007 года в штате Мэн в Gorham работает пилотная установка, демонстрирующая Biofine процесс, который включает в себя высоко температурный гидролитический катализ распада целлюлозы разбавленной кислотой с образованием левулиновая кислоты.

11.2.2. Способ получения левулиновой кислоты [11–38]

Российские ученые из Института химии и химической технологии СО РАН (г. Красноярск, Академгородок), разработали и запатентовали технологию получения левулиновой кислоты – сырьевого полупродукта для органического синтеза гамма валеролактона – из древесины. Левулиновую кислоту получают путем гидролиза гексозусодержащего сырья разбавленной соляной кислотой в присутствии двуокиси марганца, взятой в количестве 0,19-0,3 % от массы гексозусодержащего сырья, в течение 30–35 ч при атмосферном давлении и температуре 105-107 °C. Технический результат – повышение выхода целевого продукта и упрощение процесса.

Разработки российских и американских ученых открывают неограниченные возможности по получении Биоавиакеросина из древесины.

11.2.3. Биотопливо для транспорта США

Президент Обама объявляет о крупной инициативе по ускорению развития биотопливной промышленности и укреплению энергетической безопасности США. 16 августа 2011 Президент Обама объявил, что Министерство Сельского Хозяйства, Министерство Энергетики и Флот США проинвестируют в партнерстве с частным сектором до $510 млн в течение ближайших трех лет для разработки технологии современных авиационных и морских биотоплив для военного и коммерческого транспорта.[11–39]. Инициатива является ответом на мартовский закон президента Обамы, как часть его «Плана безопасного энергетического будущего» по снижению зависимости от иностранной нефти. Биотопливная инициатива в настоящее время управляется Биотопливной Межведомственной рабочей группой Белого Дома и Советом Белого Дома по Сельским Территориям, что дает возможность повышать межведомственное сотрудничество по развитию сельских районов Америки. «Создавая национальную биотопливную промышленности, мы создаем рабочие места в строительстве, рабочие места на новых заводах и улучшаем экономические возможности в сельских общинах по всей стране», сказал министр сельского хозяйства Вилсак. «Также важно, что каждый галлон биотоплива потребляется там, где оно производится, сокращая транспортные расходы, и повышая энергетическую безопасность для военных». «Эти первые заводы продемонстрируют передовые технологии совместимого с инфраструктурой, производимого из богатых ресурсов биомассы Америки топлива», сказал министр энергетики Чу. «Это будет поддерживать развитие новых, ориентированных на сельское хозяйство отраслей, которые призваны заменить импортируемую нефть на безопасные возобновляемые топлива, сделанные здесь, в США». Совместный план предусматривает, что три министерства проинвестируют в общей сложности до $510 млн, а также существенных инвестиций частных компаний, по крайней мере один к одному. Партнерство направлена на снижение зависимости США от иностранной нефти и создания рабочих мест, а также позиционирование американских компаний и фермеров как мировых лидеров в области передовых биотоплив. США тратят более $300 млрд в год на импорт нефти. Производство энергии из внутренних источников обеспечивает более безопасную альтернативу импортируемой нефти и улучшает американскую энергетическую и национальную безопасность. В июне 2011 г. президент Обама подписал распоряжение о создании первого Совета Белого Дома по Сельским территориям для опоры развития экономической стратегии администрации для сельской Америки и для уверенности, что федеральные инвестиции продолжают создавать максимальную выгоду для сельских американцев. Представители администрации проводят работу по координации программ через правительство и поощрению государственно-частного партнерства для улучшения экономических условий и создания рабочих мест в сельской местности. Администрация президента Обамы предприняла значительные шаги для улучшения жизни сельских американцев и обеспечила широкую поддержку сельских общин. Администрация Обамы поставила целью модернизацию сельской инфраструктуры, предоставляя широко-полосный доступ в интернет 10 миллионам американцев, расширяя образовательные возможностей для студентов в сельской местности, обеспечивая доступные медицинские услуги, поощряя инновационную деятельность, а также расширяя производство возобновляемой энергии. В долгосрочной перспективе эти беспрецедентные инвестиции в сельские территории будут способствовать притоку населения в сельские территории, финансовой независимости и процветания сельских общин Америки.

Исследователи Министерства энергетики США и Института биоэнергетики разработали новый тип биотоплива, которое является идентичным дизельному горючему. Команда генных инженеров JBEI разработала штаммы бактерий и дрожжей, способных производить бисаболен-органическое вещество, относящееся к роду терпенов (класс углеводородов), который используется в парфюмерии и для производства различных ароматизаторов. Испытания показали, что биса-болен может стать альтернативным сырьем для биосинтеза дизельного топлива. [40].

Рис. 11–10. Структурная формула Бисаболена– 1-метил-4-(1,5-диметил-1,4-гексадиенил) циклогекс-1-ен. (Cl5H24).

Биотопливо, полученное на основе использования данного вещества, обладает свойствами, практически идентичными дизельному топливу D2, но его структура гораздо устойчивее к низким температурам. В отличие от этанола, который может использоваться только как добавка в бензин, новое топливо можно сразу заливать в любых количествах в баки тяжелой техники с дизельными моторами и в баки реактивных самолетов. Кроме этого, «бактериальное» биотопливо на основе бисаболена менее агрессивно по отношению к трубопроводам и цистернам.

Компания Kia Motors Europe является спонсором долгосрочной благотворительной программы для возделывания кустарников Jatropha на юге Мали, Западная Африка.

Проект под названием "Kia – Посадка на лучшую жизнь», будет инвестировать посадки шести миллионов кустарников ятрофа в течение ближайших трех лет, помогая обеспечить лучшее будущее для сельской общины за счет повышения сельскохозяйственного производства и формирования доходов фермеров и их семей.[11–41].

Эта иннициатива автокомпании Kia была реализована при культивировании 2300 000 деревьев и создании 51 полевых школ Ятрофа для обучения более 5000 местных фермеров современным агротехнологиям возделывания таких как основных культур, как кукуруза, сорго и арахис.

11.2.4. Биотопливо для транспорта ЕС

Европейская комиссия утвердил семь схем по использованию биотопливо в ЕС. [11–42].

Данные Комиссии показывают, что в 2007 году около 26 % биодизеля и 31 % биоэтанола, используемых в ЕС было импортировано. Большая часть импорта пришла из Бразилии и США.

Биотопливо, предназначенных для частичной компенсации предстоящих нехватки нефти и сокращения выбросов парниковых газов, потребуется гораздо больше сельскохозяйственных земель.[11–43].

На данный момент биодизель используется в ЕС гораздо более широко, чем этанол.

Но это может измениться в будущем, с появлением автомобилей, оснащенных «гибкими» двигателями, которые должны использовать максимум 85 процентов этанола, на 15 процентов бензина.

Новые перспективы появились вместе с топливом второго поколения, изготавливаемого из растительных отходов. Открытие группой французских и американских исследователей филаментозного гриба

Trichoderma reesei (точнее, последовательности оснований в ДНК его генома) стало важным шагом в создании совершенно нового источника топлива. Этот многообещающий организм обладает способностью преобразовывать целлюлозу в сбраживаемый сахар – источник получения этанола.[11–44].

Рис. 11–11. Мицелий Trichoderma reesei.

Филаментозный гриб Trichoderma reesei имеет уникальную способность превращать растения в простые сахара – базовые составляющие этанола. Исследователи лаборатории AFMB (Структура и функции биологических макро-молекул) при Национальном центре научных исследований (CNRS) и Средиземноморском и Прованском университетах совместно с американскими коллегами расшифровали его геном.

Благодаря высокой каталитической активности его энзимы превращают растения в простые сахара, которыми он питается. Впоследствии сахара проходят процесс ферментации, упрощающей их переход в этанол. Это биотопливо можно использовать в двигателе, рассчитанном на бензин».

Исследования ведутся в рамках европейской программы E-TRICEL[45].

Для промышленного применения этого открытия необходимо выделить штаммы грибов, способные вырабатывать более 50 грамм клеток из литра исходного вещества. Этот гриб способен производить огромное количество энзимов – до 100 г из 1 кг растений.[46].

11.2.5. Компания «Тайота» и биотоплива

Компания «Тайота» полагает, что существуют три основные проблемы при использовании биотоплива в качестве топлива для автомобильного транспорта:

1) Биотопливо должно быть произведено с минимальными выбросами CO₂ и других воздействий на окружающую среду. Toyota участвует в ряде инициатив, таких как Европейская Технологическая Платформа биотоплива.

2) Биотопливо должно быть "пригодным для целей" без экологических и транспортных средств оперативных последствий… Toyota поддерживает работу Комитета Европейской нормализации (CEN) в разработке общих стандартов топлива и призывает к их одновременным введением через государства-члены ЕС.

3) производство биотоплива не должно конкурировать с производством продовольствия. Toyota поддерживает биотоплива второго поколения. Это топливо из отходов от лесной и сельскохозяйственной промышленности, а не из сельскохозяйственного сырья.

В частности, Toyota изучает биотоплива второго поколения из древесины или соломы. Это обещает ряд преимуществ, среди которых не вызывает затруднений в использовании существующих транспортных средств и перспектива еще большего сокращения выбросов парниковых газов. Производственный процесс на ранней стадии развития, и это может быть за несколько лет до наличия в промышленных масштабах.[11–47].

11.2.6. Газогенераторные автомобили Финляндии [11–48]

Рис. 11–12. Газогенераторные автомобили Финляндии.

В качестве топлива для автомобиля используется газ, вырабатываемый газогенераторными установками собственных разработок. Выброс углескислого газа этого транспортного средства – 0 г/км. Объясняется это использованием древесного газа. Использование древесного газа экономически выгодно. В этом автомобиле вместо бензина можно использовать торф и древесину. А торф – дешевое коммерчески доступное топливо в Финляндии, и топливный расход по торфу – только 4 €.

Использование газа вместо бензина приводит к тому, что двигатель теряет в мощности и затрудняет, например, обгон более медленных транспортных средств. Зато, при поездках на длинные расстояния можно взять с собой больше топлива.

Древесина после газификации преобразуется в газообразное биотопливо и может использоваться как топливо для двигателей внутреннего сгорания. Нужны незначительные доработки, чтобы приспособить двигатель к работе на древесном газу. Древесный газ содержит приблизительно 20 % угарного газа, 20 % водорода, 10 % углекислого газа и приблизительно 50 % азота. При эффективной газификации теряется около 25 % энергии.

Марки автомобилей, переведенные на генераторный газ: Lincoln Mark V 1979 Приспособлен к работе на древесном газе. Техническая информация: Двигатель: 400 л. с., 6,6 литров. Максимальная скорость: 110 км/ч Крейсерская скорость: 100 км/ч, 60 миль./ч. Расход. топлива: 50 кг/100 км. Дальность пробега: 250 км (торф). Используемое топливо: торф и древесина. Денежный расход: 4€/100 км. Обслуживание: очистка фильтра каждые 1000 км Buick Le Sabre STW -83. Приспособлен к работе на древесном газу в 1994. Газогенератор адаптирован к использованию с различными видами топлива. Работал на древесине и на торфе Тестировалась базовая фильтрация и очистка водой Настраиваемая печь Эксперименты с различными типами решеток. Этот автомобиль был в эксплуатации с конца 1994 и до осени 2003. За это время автомобиль проехал около 80 000 км на древесном газу. Тойота Camry 2,0 GLI Небольшой, экономичный и очень энергичный автомобиль.

Был построен несколько мощный газогенератор, как для этого автомобиля. Из-за низкого расхода топлива, одна заправка дает возможность проехать около 500 км. Прицепной газогенератор не сильно влияет на управление автомобилем. Двигатель этого автомобиля обеспечивает слабый вращающий момент на малых оборотах, но, в общем, мощность двигателя удовлетворительна для нормального движения.

Максимальная скорость 95 км/ч (на 4-й передаче) Расход топлива: 20 кг/100 км. Дальность пробега: 500 км (на торфе) Денежный расход 2 €/100 км Мощность на бензине 96 кВт Ручная 5-и КПП. Обслуживание: очистка фильтра каждые 2000 км Chevrolet El Camino 4х4, 1987 Двигатель: 350 л.с., 5,7 литров, автоматическая КПП Топливо: Древесина Расход: приблизительно 40 кг / 100 км. Топливный расход: приблизительно 2 п/100 км Дальность пробега: приблизительно 200 км на одной загрузке. Можно брать топлива для 700-километров пробега

Максимальная скорость: более 120 км/ч Вес автомобиля: ~ 2 300 кг Газогенератор был изготовлен в 2007 году Электронное управление двигателем: Motec M800. Электронное управление подачи смеси, контроль выхлопных газов, лямбда-зонд. Возможна работа как на бензине, так и на газу. Автоматический розжиг газогенератора. Выхлопные газы: Соответствует нормам инструкции E4. Volkswagen Caddy 1985 Еще одна работа Весы Миконена. Volkswagen Caddy с двигателем 1,8 л, с ручной пятиступенчатой коробкой передач. Вес автомобиля с полной загрузкой 1250 кг. Максимальная загрузка 360 кг. Количество перевозимых людей, один водитель и один пассажир. Испытания проходили на 770 километровом пробеге между Рованиеми и Ламми. Все это врмя двигатель работал безупречно. Все необходимое для такого путешествия находилось в автомобиле. Во время автопробега передвигались на скорости около 100 км/ч. С помощью 5-и ступенчатой КПП можно поддерживать постоянную скорость. В некоторых местах, на высокие холмы, газогенераторный фолксваген выезжал на 4-й передаче, в то время когда сопровождавший сааб вынужден был переключаться на 3 передачу. Запаса мощности хватало, для передвижения по пересеченной местности, так же автомобиль работал довольно динамично в городских условиях на светофорах. Автомобиль полностью был переведет на работу на газу. В качестве топлива использовались древесная щепа. Для запуска двигателя оставили 3-х литровый бак для бензина.

11.2.7. Экологичные автомобили [11–49]

Текущая версия страницы пока не проверялась опытными участниками и может значительно отличаться от версии, проверенной 22 октября 2010; проверки требуют 17 правок.

Рис. 11–13. Tesla Roadster.

Рис. 11–14. KoenigseggR CCX

Экологичные автомобили или «Зеленые» автомобили (от англ. Environ-mentally friendly vehicle, green vehicle) – автомобили, оказывающие менее негативное воздействие на окружающую среду, чем обычные автомобили с двигателями внутреннего сгорания, работающие на бензине или дизеле.

KoenigseggR CCX – Автомобиль с гибким выбором топлива-может ездить как на бензине, так и на смеси бензина с этанолом, причём в гибких пропорциях (от 5 % до 95 %). Автомобиль имеет один топливный бак, адаптированность к разному составу топлива достигается за счёт оригинальной конструкции двигателя или за счёт конструктивной модификации обычного бензинового двигателя внутреннего сгорания.

11.2.8. Транспорт на топливных элементах

Водородный транспорт – различные транспортные средства, использующие в качестве топлива водород. Это могут быть транспортные средства, как с двигателями внутреннего сгорания, так и с водородными топливными элементами.

11.2.9. Биотопливо для автомобильного транспорта

В последнее время серьезное внимание уделяется новому биотопливу: BtL (Biomass-to-Liquid). BtL производят из древесины и отходов деревообработки (промежуточный продукт: син-газ)., При производстве BtL древесина полностью перерабатывается.[11–50]. BtL может производиться из любого вида биомассы и для перевода автомобилей на него не требуется модификация современных двигателей.

Если BtL займет 20 % рынка ЕС, то в Европе можно уменьшить выбросы CO₂ на 200 млн тонн. Топливные компании (Shell, Total, Neste) и автомобильные гиганты со всего мира (Daim-lerChrysler, Volkswagen, Volvo (Ford) открывают программы по переводу автомобилей с традиционного топлива на возобновляемое.

DaimlerChrysler сейчас активно говорит о внедрении в своих автомобилях биотоплива – BtL. Ford недавно заявил о начале продажи в Швеции нового поколения Focus и Focus C-MAX 1.8 в версии FFV на биотопливе. FFV могут ездить как на биоэтаноле, так и на бензине.

General Motors уже продает в Швеции “экологичные” версии моделей Saab и Opel. Обе модели также могут работать на биоэтаноле (который содержит 15 % бензина), на бензине и на смеси этих видов топлива в любой пропорции.

US Military Facilities Increasingly Fill Up With Biodiesel Американские военные объекты все чаще используют биодизель в автотранспорте[11–51].

Alternative Fuel Helps Strengthen US Energy Security, Protect the Environment Армия США, ВМФ, ВВС и морская пехота используют дизельное топливо B20 – смесь 20 процентов биодизеля и 80 процентов дизельного топлива (солярки) в автомобилях на 4-х военных базах: База Корпуса морской пехоты США в Кэмп-Лежен Северная Каролина, Станция ВВС Корпуса морской пехоты США в Юме, штат Аризона Военно-морская база Everett, Эверетт, штат Вашингтон, База US Marine Corps Logistics Base, Albany, GA: Корпуса морской пехоты США, Олбани, Джорджия, а так-же ВВС база Scott, штат Иллинойс, Центр космических исследований ВВС Peterson, Colorado Springs, Форт Леонард Вуд армии базы, Миссури.

Биодлизель используют 375 нетактических автомобилей с дизельным двигателем в том числе тракторные прицепы, погрузчики, трехтонные грузовики, грейдеры, фермерские тракторы и аварийные генераторы. Общий объем использованного биодизеля 50–60 тысяч литров.

11.2.10. Биометан для транспорта

Министерства сельского хозяйства США (USDA) видит большие экономические возможности в производстве метана из отходов животноводства.

С 2003 года Министерство сельского хозяйства США помогла 121 проекту совместного финансирования и / или кредитных гарантий. Эти проекты позволили получить 449 ГВт ч / год электроэнергии, сократить выбросы 384 664 тонн CO₂-эквивалента и заместить 25 тыс. тонн нефти.[11–54].

Биометан и Грузовики. Перевод грузовиков с дизельного топлива на биометан. Замена дизельного топлива на экологически чистый Биометан, полученный из сельскохозяйственных отходов.[11–52].

Будущее транспортных средств, работающих на природном газе, связано с метаном биологического происхождения (очищенным биогазом). Таков главный мотив, звучавший на заседании круглого стола и прессконференции, проводившихся Европейской газомоторной ассоциацией (ENGVA) в Брюсселе.[11–53].

«Переход с жидкого горючего на газообразное моторное топливо создаст новые, невиданные возможности для стимулирования деловой активности. Сначала это будут по большей части транспортные средства, работающие на метане, но постепенно получат распространение и автомобили с водородными топливными элементами»,

Настало время для правительства сделать шаг вперед и поддержать развитие рынка транспортных средств, работающих на природном газе. Оно должно приложить усилия для создания соответствующей инфраструктуры заправочных станций сжиженного и сжатого природного газа и, как можно скорее, увеличить долю возобновляемого метана (биометана)".

Литература

11-1. Отчет РЭА Минэнерго, 2012:моторные биотоплива для наземного и воздушного транспорта. мир и потенциальные возможности России.

11-2.Aviation Biofuels – Biomass Hub | Global bioenergy supply chain.www. biomasshub.com.

11-3. EU ETS and the aviation industry: between a rock and a hard place., www.centreforaviation.com.

11-4. Airplane track of Boeing 747 | Flickr – Photo Sharing!

11-5. Saab JAS 39 Gripen Aircraft., www.worldcaredition.blogspot.com.

11-6. В Австралии научились заправлять самолеты “сельхозотходами”, www.proau.info..

11-7. Авиационное топливо из биомассы удалось произвести ученым., www. economy.az..

11-8. Воздействие авиационного транспорта на окружающую среду, www. azecology.az.

11-9. Три крупнейших в мире производителя авиалайнеров поддержат производство биотоплива., www.aesber.ru.

11-10. Sustainable_Aviation_Fuel From Wikipedia, the free encyclopedia., en.wikipedia.org.

11-11. Международная биоэнергетика, № 3 (20), 2011, стр. 32–33.

11-12. Embraer и General Electric завершили совместные испытания биотоплива., ato.complexdoc.ru

11-13.Переход к альтернативной авиации не за горами., РБК top.rbc.ru.

11-14. Biofuels for Air Travel, Use of Biofuels in Aviation., www.biofuelstp.eu.

11-15. A-10-Thunderbolt-n-of-US-Air-Force-flies-on-biofuel-26885-3-1.html www.commodityonline.com.

11-16. military-aviation-news., www.aviationnews.eu.

11-17. About Solena Fuels., www.whitehouse.gov.

11-18. British Airways, Solena Group team up for waste-to-jet-fuel plant. www.biomassmagazine.com.

11-19. Neste Oil starts up Europe's largest renewable bio fuel plant-Neste Oil запускает крупнейший в Европе возобновляемой биотопливо завод. www.rencentre.com.

11-20. Авиационное топливо и масло будущего 535, SE-751 21, Упсала, Швеция, www.fysast.uu. s

11-21. NZ Co LanzaTech to help IOC, JSPL set up bio jet fuel plant., www.indiatimes.com.

11-22. Airlines interested in Licella biofuels

11-23. ^omson Airways passenger plane being fuelled with sustainable ava.

11-24. Система европейского союза по торговле выбросами (EU

ETS…

www.carbon350.co.uk.

11-25. Launch of the European Advanced Biofuels Flightpath.,

11-26.Use of Biofuels in Aviation., www.biofuelstp.eu.

11-27. Alternative Fuels and Biofuels for Aircraft Development., www.airtn.eu.

11-28. BioTfueL Project: Producing Biodiesel and Bio-Jet Fuel – www.total.com.

11-29. www.bioenergie-promotion.fr.

11-30. IFPEN Project Manager., www.ifpenergiesnouvelles.com.

11-31. Airbus, Boeing, and Embraer uniting to promote aviation biofuel., www.bizmology.hoovers. Com.

11-32. Chinese oil firm starts producing biofuel for aviation – E & T Magazine., www.eandt.theiet.org.

11-33. Alitalia и Solena договариваются о производстве биотоплива., www.

air-stream.net.

11-34. Немецкий авиаперевозчик будет выращивать сырье для жидкого., www.infobio.ru.

11-35. Qantas испытает биотопливо из морских водорослей., Авиа., www.air-stream.net.

11-36. www.algaenews.com.

11-37. Полетим на травке – Газета.^., www.gazeta.ru.

11-38. Способ получения левулиновой кислоты., www.findpatent.ru.

11-39. Зачем нужны биотоплива. www.computerra.ru.

11-40. Исследователи из США разработали новый вид биотоплива., www.ecosys.narod.ru.

11-41. Компания Kia Motors Europe будет спонсировать проект по культивированию Jatropha в Мали (

Африка). www.biofuelsjournal.com.

11-42. Еврокомиссия ужесточает правила использования биотоплива., www.bbc.co.uk.

11-43. ЕС может освободить землю для биотоплива. www. articles. economictimes. indiatimes.com.

11-44. Прожорливый гриб – будущее биотоплива., www.ambafrance-ru.org.

11-45. Изучение энзимного биоразнообразия с целью комплементации секретома Trichoderma reesei для улучшения гидролиза лигноцеллюлоза, www.ambafrance-ru.org.

11-46. Интернет сайт: www.cnrs.fr: CNRS (Национальный центр научных исследований).

11-47. Green TechnologiesOur stance on biofuels TOYOTAToyota Motor Europe Corporate Site

11-48. Газогенераторные автомобили Финляндии – Ээковатт., www.greenwatt.ru.

11-49. Экологичные автомобили., Материал из Википедии – свободной энциклопедии.

11-50. Pellets.ru – Статьи. Жидкое моторное биотопливо., www.pellets.ru.

11-51. Американские военные объекты все чаще используют биодизель в автотранспорте., www.rusus.ru.

11-52. Информационный бюллетень биометан для автотранспорта., www.ngvrus.ru.

11-53. Биометан для автотранспорта – …www.ngvrus.ru.

11-54. Биометан. энергетики и топлива., www.cleantechblog.com.

11-55. Angewandte Chemie International Edition, Vol 48, вып. 35, 6529–6532.

11-56. Jean-Paul Lange и др., Валериановое Биотопливо: Платформа целлюлозного топлива Транспорт, Angewandte Chemie International Edition, Том 49, выпуск 26, стр. 4479–4483.

Глава. 12. Биоводород

Рис. 12-1. Кругооборот водорода в биосфере.

Биоводород – водород, полученный либо биологическими организмами, либо из биомассы термо-химическим, биотехнологическим способом или биофотолизом воды. [12-1]

12.1. Свойства водорода

Водород – газ без цвета и запаха, в 15 раз легче воздуха. Обладает очень высокой теплопроводностью, сравнимой с теплопроводностью металлов. Водород хорошо растворяется в некоторых металлах: в одном объеме палладия, например, растворяется до 900 объемов водорода. В соотношении 2:1 с кислородом образует взрывчатый гремучий газ. Температура сгорания водорода чрезвычайно высока – 2800 °C. Водород является великолепным восстановителем.

Физические свойства. Для сжижения и затвердевания водорода требуются очень низкие температуры и высокое давление. В нормальных условиях водород – бесцветный газ, без запаха и вкуса, очень легкий: 1 л водорода при 0 °Cи атмосферном давлении имеет массу 0,08987 г (ср. плотность воздуха и гелия 1,2929 и 0,1785 г/л соответственно). Атомный номер 1 Атомная масса 11Н 1,00797, Плотность при нормальном давлении 0,08987 г/л при 2,5*10⁵ атм – 0,66 г/л, при 2,7*10¹⁸ атм -1,12*10⁷ г/л.

Ковалентный радиус, 0,74. Температура плавления, ° С -259,14. Температура кипения, ° С -252,5. Критическая температура, ° С -239,92 (33,24 K). Критическое давление, атм. 12,8 (12,80 K). Теплоемкость,

Дж/(мольЧК) 28,8 (H2). Растворимость в воде, объем/100 объемов Н20(при стандартных условиях) 2,148 в бензоле, мл/г (35,2 °C, 150,2 атм) 11,77 в аммиаке, мл/г (25 °C) при 50 атм. 4,47 при 1000 атм. 79,25. Степени окисления -1, +1.

Химические свойства. Химические свойства водорода определяются его единственным электроном. Количество энергии, необходимое для отрыва этого электрона, больше, чем может предоставить любой известный химический окислитель. Поэтому химическая связь водорода с другими атомами ближе к ковалентной, чем к ионной. Чисто ковалентная связь возникает при образовании молекулы водорода: Н + H H2 При образовании одного моля (т. е. 2 г) H₂ выделяется 434 кДж. Даже при 3000 K степень диссоциации водорода очень невелика и равна 9,03 %, при 5000 K достигает 94 % и лишь при 10000 K диссоциация становится полной. При образовании двух молей (36 г) воды 2H₂O) выделяется более 1250 кДж и температура достигает 3000–4000 °C, тогда как при сгорании молекулярного водорода (2H₂ + O₂ -> 2H2O) выделяется всего 285,8 кДж и температура пламени достигает лишь 2500°

12.2. Водородная энергетика

Водородная энергетика из атомарного водорода и кислорода (4H + O₂ -> Водородная энергетика – экономичное и экологическое направление выработки и потребления энергии человечеством, основанное на использования водорода в качестве средства для аккумулирования, транспортировки и потребления энергии людьми, транспортной инфраструктурой и различными производственными направлениями. Водород выбран как наиболее распространенный элемент на поверхности земли и в космосе, теплота сгорания водорода наиболее высока, а продуктом сгорания в кислороде является вода (которое вновь вводится в кругооборот водородной энергетики).

Водород прекрасное моторное топливо, которое используется наземным и воздушным (СССР, США) транспортом. В настоящее время во всём мире ежегодно производится около 50 млн тонн водорода. Из них примерно 48 % производится из природного газа, 30 % из нефти, и 18 % из угля. При производстве водорода из углеводородов получается большое количество CO₂, который является одной из причин глобального потепления. К тому же не все страны обладают собственными углеводородами.

Решением этих проблем может стать производство водорода из биомассы и воды. Для этих целей разрабатываются:

• Термохимический метод,

• Биохимический метод,

• Биофотолиз.

Водород может производить группа зелёных водорослей, например, Chlamydo-monas reinhardtii. Водоросли могут производить водород из морской воды, или канализационных стоков.

С широким применением водорода на транспорте связывают радикальные решения по снижению выбросов CO₂ на 20–25 % в год, особенно при использовании водородных топливных элементов.

12.3. Водород в авиации

Впервые водород был использован как топливо в авиации в СССР в начале 80-х годов на самолетах: ТУ-154Б-2, ТУ – 155.

3 апреля 2008 года компания Boeing провела лётные испытания лёгкого двухместного самолёта Dimona с силовой установкой на водородных топливных элементах.

Рис. 12-2. Самолет ТУ-154Б-2 на жидком водороде Рис 12-3. Турбореактивный двухконтурный двигатель НК-88. Создан в двигателестроительном конструкторском бюро им. Кузнецова

Рис. 12-4. Компоновочная схема ТУ-155. Голубой – топливный бак. В переднем отсеке – обеспечивающее оборудование. Красным – криогенный двигатель.

12.4. Достоинства водорода

Среди достоинств водорода можно выделить:

1) высокую энергоемкость; в расчете на единицу массы водород превосходит все природные топлива: природный газ в 2,6 раза, нефть в 3,3 раза, целлюлозу в 8,3 раза;

2) химико-экологическую чистоту; единственным продуктом его окисления в любых режимах (при горении или электрохимическом окислении) является вода (окись азота, являющаяся побочным продуктом сгорания водорода в воздухе, образуется в ничтожных количествах);

3) практически неисчерпаемые запасы дешевого сырья – воды, содержащей более 10 % (по массе) водорода;

4) возможность использования топливных элементов, реакции окисления водорода и восстановления кислорода воздуха с образованием воды в которых протекают на электродах и приводят к генерации электрического тока, позволяют эффективно доставлять и преобразовывать энергию в удобный для потребления электрический вид. Важно, что КПД современных топливных элементов существенно больше КПД любых энергетических систем, основанных на сжигании топлива, и достигает в настоящее время ~ 80 %, тогда как КПД дизельных двигателей # 30 %.[12-2].

12.5. Водород – как сырье для химии

Водород – также ценное сырье для химической промышленности.

Несмотря на все преимущества водорода в качестве альтернативного топлива, принципиальным остается вопрос об источнике энергии для получения водорода из воды. В основном рассматриваются три альтернативных источника: термоядерная, атомная и солнечная энергия. Однако возможности широкого использования внутренней (термоядерной и атомной) энергии неразрывно связаны с проблемой теплового загрязнения среды – нарушения теплового баланса и повышения температуры Земли. При современных темпах развития энергетики на основе внутренних источников тепла изменение климата Земли может наступить уже в ближайшие 30–50 лет. Это определяет принципиальное ограничение дальнейшего развития энергетики на основе внутренних источников энергии и стимулирует поиск новых источников, не вызывающих нарушения теплового баланса Земли. С этой точки зрения солнечная энергия является одним из наиболее экологически чистых источников энергии. В связи с этим возникает вопрос: способна ли энергетика, основанная на использовании солнечного излучения в качестве первичного источника энергии, обеспечить энергетические потребности человечества?

В связи с большими резервами и экологической чистотой в последние годы все более популярной становится концепция солнечно-водородной энергетики, основанной на преобразовании солнечной энергии в химическую в результате разложения воды и сочетающей в себе все достоинства водорода в качестве топлива и солнечной энергии в качестве первичного источника.

Следует отметить, что по сравнению с прямым преобразованием солнечной энергии в электрическую на основе полупроводниковых солнечных батарей промежуточное аккумулирование солнечной энергии в топливной форме водорода в рамках солнечно-водородной энергетики успешно решает проблему суточной и сезонной зависимости потока солнечной энергии.[2].

В настоящее время предложено несколько основных путей для разложения воды под действием солнечного излучения. Некоторые из них являются косвенными. Например, термохимические методы, основанные на использовании тепла, полученного за счет солнечной энергии, или электролиз воды за счет электроэнергии от полупроводниковых солнечных батарей или тепловых электростанций. Однако исследование природного процесса конверсии солнечной энергии в химическую (фотосинтеза) показывает принципиальную возможность прямого фотохимического разложения воды солнечным светом. В связи с этим в последние годы весьма интенсивно развиваются фотохимические методы получения водорода из воды, основанные либо на искусственных фотохимических системах, либо на применении биологических систем (растений, микроскопических водорослей, фототропных бактерий), фотосинтетический аппарат которых может быть использован для выделения водорода – биофотолиз воды.

12.6. Биофотолиз

Учёные Калифорнийского университета в Беркли в 1999 году обнаружили, что если водорослям не хватает кислорода и серы, то процессы фотосинтеза у них резко ослабевают и начинается бурная выработка водорода.

Применение водорода на транспорте и в энергетике в настоящее время ограничено отсутствием развитой инфраструктуры, ограничиваясь созданием Концептуальных моделей водородных автомобилей и техники, работающей на топливных водородных элементах.

Усложняют возможность использования водорода в качестве топлива и проблемы безопасности: водород может создавать с воздухом Взрывоопасную смесь – гремучий газ; сжиженный водород обладает исключительными проникающими свойствами, требуя применения особых материалов. Однако, по экологическим параметрам безопасности и энергоемкости, водороду нет равных. Реакция разложения водорода – Н2 + 0,5О2 = Н2О – сопровождается выделением большого количества энергии (285,8 кДж/моль). При этом не происходит никакого загрязнения атмосферы, так как в результате реакции образуются только пары воды.

12.7. Фотолиз и фотокатализ

Из повседневного опыта известно, что чистая вода в любом агрегатном состоянии совершенно прозрачна для падающего на поверхность Земли солнечного света, основная часть которого приходится на область видимого и ближнего инфракрасного излучения (0,3–1,0 мкм). Заметное поглощение электромагнитного излучения водой, способного привести к ее фоторазложению, начинается лишь с длин волн короче 0,2 мкм, практически отсутствующих в спектре солнечного излучения, достигающего поверхности Земли. Это означает, что процессы прямого фотолиза воды с участием ее электронно-возбужденных состояний не могут быть использованы для конверсии солнечной энергии в химическую. Таким образом, как и в природном фотосинтезе, эффективное фотохимическое разложение воды солнечным светом возможно только на основе фотокаталитических процессов.[12-2].

Специфической особенностью фотокаталитических процессов по сравнению с обычным “темновым” катализом является, с одной стороны, чувствительность химической системы к действию света и, с другой – возможность осуществления каталитических реакций превращения субстрата в продукт с положительным изменением свободной энергии системы DG > 0. В связи с этим при разработке искусственных фотокаталитических систем разложения воды солнечным светом используют явления фотосенсибилизации и фотокатализа. Фотосенсибилизация – это изменение спектральной области чувствительности химических соединений, происходящее вследствие процессов переноса энергии или электрона от веществ, называемых сенсибилизаторами, которые поглощают свет другой спектральной области (обычно более длинноволновой). Фотокатализ – это явление индуцирования химических превращений при действии света на системы, содержащие химические соединения – участники реакции и вещества, называемые фотокатализаторами, которые индуцируют при поглощении света химические превращения участников реакции, многократно вступая с ними в химические взаимодействия и регенерируя свой состав после каждого цикла промежуточных взаимодействий.

Следует отметить, что в чистом виде явление как фотокатализа, так и фотосенсибилизации встречается редко. В большинстве фотокаталитических процессов одни и те же вещества выполняют функцию и фотосенсибилизатора и фотокатализатора.

Энергетическая эффективность преобразования солнечной энергии в химическую для разработанных в настоящее время модельных систем биофотолиза воды не превышает 0,2 %, тогда как теоретическое предельное значение составляет ~17 %.

Второй существенной проблемой является недостаточная стабильность разработанных биосистем фотолиза воды во времени (до 30 дней). Решение этих проблем позволит перейти к созданию практически приемлемых устройств конверсии солнечной энергии в химическую на основе биокаталитических систем фотолиза воды.

12.8. Искусственные фотокаталитические системы разложения воды

Созданный природой в ходе эволюции уникальный восьмиквантовый фотосинтетический аппарат, включающий две фотосистемы, объединенные сложной многоступенчатой электронтранспортной цепью, обеспечивает не только окисление воды и восстановление NADP+, но и синтез энергоемких соединений адено-зинтрифосфата из аденозиндифосфата и неорганического фосфата, которые в дальнейшем выполняют роль универсального источника энергии в клетке, обеспечивая протекание большинства биохимических процессов [2]. В связи с этим заманчивым представляется создание искусственных фотокаталитических систем, выполняющих узкоспециализированную функцию – фоторазложение воды. При этом нет необходимости моделировать весь сложный механизм фотосинтеза, а следует использовать только основные принципы фотохимического преобразования солнечной энергии в химическую.

Поскольку выделение одной молекулы кислорода требует разложения двух молекул воды, энергетические затраты на проведение одного каталитического цикла фоторазложения воды при комнатной температуре не могут быть меньше 113,4 ккал/моль, что соответствует энергии квантов ультрафиолетового света (1 = 0,252 мкм), практически отсутствующих в спектре солнечного излучения (0,3–1,0 мкм), падающего на поверхность Земли. Это означает, что с точки зрения наиболее полного использования солнечного излучения, достигающего поверхности Земли, наиболее рациональной является четырех-квантовая схема процесса разложения воды, при котором каждый квант света используется для переноса одного электрона. В этом случае пороговая длина волны света составляет 1,008 мкм, что соответствует красной границе солнечного излучения и как следствие этого обеспечивает максимальную эффективность преобразования солнечной энергии в химическую.

Таким образом, в отличие от природного фотосинтеза искусственные фотокаталитические системы разложения воды могли бы работать по принципу не двухтактного (см. схему 3), а однотактного фотонасоса.[12-2].

12.9. Технологии фотолиза воды

Изобретён дешёвый способ производства водорода из воды. Процесс представляет собой имитацию фотосинтеза: искусственный силиконовый «лист», покрытый специальным раствором кобальта и фосфатов, помещается в воду и при участии солнечного света отделяет от неё водород. Последний как раз и служит источником энергии. Эффективность подобной конвертации солнечной энергии превышает аналогичный показатель у фотоэлектрических батарей. Способ разработан профессором Массачусетского технологического института

(MIT) и основателем компании SunCatalytix Даниэлем Носерой. [12-3]. Сама по себе идея не нова, однако электролитические установки, расщепляющие молекулы воды, являются дорогими и требуют чистой жидкости. В системе г-на Носеры не важно, чистая вода или грязная. SunCatalytix уже заключила контракт с индийским промышленным консорциумом Tata Group, а также получила финансирование в размере $4 млн. от агентства по инновациям Министерства энергетики США ARPA-E.

Ученые из Университета Восточной Англии (Великобритания) разработали фотоэлектрокаталитическую систему, с помощью которой из воды можно получить водород под действием солнечного света.[12-3].

Система состоит из золотого электрода, который покрывают слой за слоем наночастицами фосфида индия (InP). Затем в слоевую структуру добавляют железосерный комплекс [Fe₂S₂(CO)₆]. Систему погружают в воду, освещают и подают на нее относительно малое электрическое напряжение. В результате образуется водород с эффективностью 60 %.

Механизм реакций таков: частицы света, попадающие на нанокристаллы фосфида индия, возбуждают в них электроны. В этом возбужденном состоянии они переносятся на железосерный комплекс. В процессе каталитической реакции железосерный комплекс отдает электроны дальше ионам водорода (H+) из окружающей систему воды, которые затем высвобождаются в виде водорода (H₂). А золотой электрод тем временем поставляет необходимые электроны нанокристаллам фосфида индия.

В отличие от других современных систем получения водорода из воды, данный метод обходится без органических молекул, которые нужно постоянно поддерживать в возбужденном состоянии, при этом они деградируют, и это ограничивает срок службы систем с органическими компонентами. Новая система полностью неорганическая и, соответственно, существенно более долговечная. Авторы разработки считают ее альтернативой существующим методам промышленного производства водорода.

Американские химики сумели получить водород из реакции алюминия с водой при комнатной температуре.[12-4].

Никель и бор, дешевые и доступные элементы, можно применять для получения новых катализаторов разложения воды на кислород и водород, это открытие может найти применение в экологически чистой энергетике будущего.

Наиболее эффективным среди таких катализаторов электролиза воды (разложения на кислород и водород с помощью электричества) считается платина – дорогой и редкий металл, запасы которого на планете очень ограничены, в связи с чем многие научные группы ищут ему замену.

В своей новой работе ученые из группы Носера описывают каталитическую систему, которая представляет собой соединение на основе элементов никеля и бора.

Оно может быть нанесено в виде тонкой пленки на любую поверхность с помощью электричества. На получающемся таким образом электроде, опущенном в водный раствор соединений бора (электролит), при приложении электрического напряжения менее, чем в два Вольта происходит реакция разложения воды с выделением кислорода. При этом на противоположном электроде происходит реакция с выделением чистого водорода. [12-3].

Достоинство нового катализатора состоит в том, что он может быть получен из широко распространенных и дешевых элементов. Кроме того, он обладает хорошими рабочими характеристиками, которые позволяют надеяться на то, что подобные каталитические системы в будущем найдут коммерческое применение.

Для этого ученым необходимо увеличить мощность подобных катализаторов, "научить" их работать на обычной воде без применения дополнительных химических компонентов в качестве электролитов, а также для максимальной эффективности совместить в едином устройстве с солнечными элементами.

В такой энергетической установке избыток электричества, вырабатываемый в светлое время суток, может быть преобразован в водород и накоплен для использования в темное время суток. Эта концепция подразумевает полный цикл генерации и использования энергии малыми хозяйствами, что очень удобно и намного более эффективно, нежели централизованное получение энергии на электростанциях и дальнейшее ее распределение по электросетям.

Исследователи из Университета штата Пенсильвания (Pennsylvania State Univer-sity) и Виргинского университета содружества (Virginia Commonwealth University) провели реакцию кластеров алюминия с водой с образованием водорода при комнатной температуре.

Реактор в этом эксперименте устроен достаточно обыкновенно. Кластеры (в данном случае частицы, содержащие счетное число атомов) получали лазерным испарением алюминия в токе инертного газа гелия. Гелий не вступал ни в какие реакции, а просто приносил частицы металла. Аналогично током гелия приносился и второй участник реакции – вода. Оба участника поступали в реакционную трубу, предварительно очищенную от воздуха. Прореагировав, веще-ства поступали в масс-спектрометр, где и определялись продукты реакции.

В итоге ученым удалось сделать несколько интересных выводов. Во-первых, водород образуется, причем при комнатной температуре. Во-вторых, активность при комнатной температуре проявляют частицы с количеством содержащихся в них атомов алюминия 16, 17 и 18. Это связано с влиянием пространственного строения таких маленьких частиц на химические свойства. В-третьих, удалось получить некоторые сведения о механизме реакции. В частности, реакция протекает с одновременной адсорбцией двух молекул воды (они налипают на частицу). Если процесс станет активно изучаться и применяться, это будет очень важно.

Выяснились и некоторые негативные особенности процесса. Так, частички алюминия не стали в данном процессе катализаторами в полном понимании этого слова.

Они вступают в реакцию один раз и остаются в неактивном виде. Сами исследователи уже видят свою первоочередную задачу в том, чтобы регенерировать активные частицы.

12.10. Видимый свет и фотокаталитическое получение водорода

Исследователи из США и Китая разработали простой и легкий метод для получения материалов на основе смешанных сульфидов цинка и кадмия; эти материалы способствуют образованию водорода в результате разложения воды при облучении видимым светом.

Новые материалы отличаются большей эффективностью, так как они поглощают свет в большем спектральном диапазоне, чем уже существующие.

Рис. 12-5. Квантовые точки из селенида кадмия расширяют область спектра, в которой фотокатализатор поглощает видимый свет. [5].

Обычные фотокатализаторы разложения воды, как, например, оксид титана, сульфид кадмия или сульфид цинка отличаются высокой стабильностью и отличной активностью, однако поглощают только ближний ультрафиолет, котор ый представляет лишь 4 % от энергии солнечного излучения. Для расширения рабочей области спектра в катализаторы можно вводить сокатализаторы на основе металлов платиновой группы, однако это увеличивает стоимость фотокатализатора и, следовательно процесса каталитического разложения воды.

Митек Яронич (Mietek Jaroniec) из Университета Кент (Огайо) и Цзягон Ю (Jiaguo Yu) из Технологического университета Вухань получили смешанные комплексы на основе сульфидов цинка и кадмия, легированные квантовыми точками из сульфида кадмия (CdS QDs), демонстрирующие высокую фотокаталитическую активность при облучении видимым светом без введения добавок дорогих благородных металлов.[12-5].

Высокая каталитическая активность смешанного сульфида, легированного кадмийсульфидными квантовыми точками в разложении воды и получении водорода может быть связана с облегчением переноса электрона с CdS QD на субстрат.

Исследователи получили смешанный твердый раствор с помощью простого гидротермического метода, способствующего комбинированию наночастиц ZnS и Cd(NO₃)₂. Благодаря тому, что замещение ионов Zn²+ на ионы Cd²+ термодинамически благоприятно, катионный обмен происходит достаточно легко.

Количественный анализ позволяет определить, что новый материал в 50 раз эффективнее в процессе фотокаталитического выделения водорода при облучении видимым и ультрафиолетовым светом, чем чистый сульфид кадмия, и более активен, чем легированный платиной сульфид цинка.

Макс Лю (Max Lu), специалист по чистой энергии и технологии защиты окружающей среды из Университета Квинсленда (Австрали) отмечает, что Яронич и Ю получили исключительные результаты, продемонстрировав, что квантовые точки на основе сульфида кадмия могут облегчать процесс фотокаталитического расщепления воды без применения добавок платины. Он добавляет, что если новая система продемонстрирует достаточную стабильность, она сможет увеличить производительность систем фотокаталитического получения водорода при облучении в широком спектральном диапазоне. В дальнейшем исследователи планируют получить новые каталитически активные материалы, в составе которых есть квантовые точки.[12-6].

В Канаде, в пригороде Торонто, небольшая компания «Ротман Текнолоджиз Лтд.» фактически разработала не один, а целых два эффективных способа разложения обычной воды на кислород и водород.[12-7].

И ни один из них не требует миллиардных расходов. Это очень простые решения. Двигатели наших обычных автомобилей смогут работать на предлагаемых системах после лишь небольшой их переделки, и не потребуется создания дополнительных инфраструктур типа нынешних газозаправочных станций. [12-8].

Чтобы понять, как работают подобные системы водного топлива, следует знать, что обычная вода сама по себе является «батареей», содержащей огромное количество энергии. Молекула воды состоит из двух атомов водорода и одного атома кислорода, а водород является превосходным топливом.

Получение газообразного водорода

В первом химическом процессе, продемонстрированном компанией «Ротман Текнолоджиз Лтд.», используются вода, соль и очень недорогой металлический сплав. На выходе получается чистый водород – топливо, для горения которого не требуется доступа кислорода и которое абсолютно не загрязняет окружающую среду.

Демонстрируемый агрегат пока представляет собой опытную установку и нуждается в некоторой доработке. Двигатель был установлен на лабораторном столе. На полу стояло тринадцать контейнеров емкостью по полгаллона (около двух литров..) каждый, соединенных между собой трубками, которые все сходились к большой центральной трубе, в свою очередь соединенной с карбюратором двигателя.

В контейнерах была обычная вода с некоторым количеством электролита (например, соль).

Когда в эту жидкую смесь погрузили кусок металлического сплава, сразу началось удивительно быстрое выделение водорода, который поступал затем в коллекторную трубу и по ней в карбюратор ДВС.

Двигатель, использующий в качестве топлива воду и соль, а в качестве катализатора сплав металла, действительно работал!

По словам представителя компании, применяемый сплав настолько дешев, что двигатель может работать четыре часа только на одном куске этого сплава стоимостью примерно полцента (канадских)!

Газ Брауна. Это самое совершенное топливо для наших транспортных средств.

Получается он из воды (то есть водорода и кислорода), так же как и чистый водород, но сгорает в ДВС так, что, в зависимости от регулировки, может отдавать кислород в атмосферу. На выхлопе получается кислород и водяной пар (как при использовании чистого водорода или топливных баков) однако кислород здесь берется из воды, используемой для получения газа.[12-9]. Поэтому при сжигании газа Брауна в атмосферу поступает дополнительный кислород.

Таким образом, использование газа Брауна помогает решить очень опасную для нас проблему уменьшения кислорода в окружающей среде.

С этой точки зрения газ Брауна представляет собой идеальное топливо для автомобилей будущего.

Новая технология применения газа Брауна

Главная проблема большинства известных нам систем с применением газа Брауна состоит в том, что, хотя они и работоспособны, но не вырабатывают достаточно водорода для работы поршневого двигателя в обычных дорожных условиях.

Принципиальные изменения, предложенные компанией «Ротман Текнолоджиз Лтд.», связаны с особой технологией электролиза.

При традиционных способах электролиза соответствующий блок просто погружается в воду и дает определенное количество газа Брауна.

Компания же «Ротман Текнолоджиз Лтд.» использует блок, увеличивающий выход газа вдесятеро по сравнению с обычным электролизом. В этом способе газ Брауна смешивается с водой, получаемая молочнобелая смесь подается затем на сепаратор, снова разделяющий воду и газ. Газ направляется в двигатель, а вода идет обратно в электролизер для повторного использования.

Это изобретение, на которое компания имеет заявленный патент США, является, возможно, самым важным открытием, когда-либо сделанным в области электролизных технологий. Десятикратный по сравнению с обычным выход газа Брауна обеспечивает нормальную работу современных ДВС на воде. Такой способ электролиза, является, по-видимому, технологией будущего. [12-7].

Важная задача водородной энергетики будущего – создание двигателей внутреннего сгорания, работающих на воде и водороде. В XXI веке такие двигатели – это уже реальность.[12–10].

Самый широко известный двигатель, разлагающий воду на водород и кислород, основанный на электролизе, сконструирован в 1995 году американским изобретателем Стенли Мейром (Патент США № 5149507).

Обычный электролиз воды требует ток, измеряемый в амперах, в то время как электролитический двигатель С. Мейера производит тот же эффект при милиамперах. Более того, обыкновенная водопроводная вода требует добавления электролита, например, серной кислоты, для увеличения проводимости; двигатель Мэйера действует при огромной производительности с обычной отфильтрованной от грязи водой. Электролитический двигатель Мэйера имеет много общего с электролитической ячейкой, за исключением того, что он работает при высоком потенциале и низком токе. Конструктивно двигатель достаточно прост. Электроды изготовлены из параллельных пластин нержавеющей стали, образующие либо плоскую, либо концентрическую конструкцию. Выход газа зависит обратно пропорционально расстоянию между ними; предлагаемое патентом расстояние составляет

1.5 мм. Двигатель С. Мейера разлагает воду на водород и кислород посредством комбинации высоковольтных импульсов, при среднем потреблении тока, измеряемого милиамперами.

По мнению самого изобретателя, под воздействием электрического поля происходит поляризации молекулы воды, приводящему к разрыву связи.

При работе установки электролитического разложения воды происходят следующие эффекты:

• ориентация молекул воды вдоль силовых линий поля;

• поляризация молекулы воды;

• увеличение длины связи в молекулах воды и их разрыв;

• освобождение газов из установки;

Рис. 12-6. Электролитический двигатель С. Мейера.

Рис. 12-7. Механизм работы электролитического двигателя С. Мейера.

Оптимальный выход газа достигается в резонансной схеме. Частота подбирается равной резонансной частоте молекул.

Сейчас описанные выше конструкции двигателей внутреннего сгорания на воде, реализуются на практике различными западными фирмами. Одни западные крупные автопроизводители Ford, General Motors, Toyota, Nissan проводят опыты с топливными элементами, в котором водород соединяется с кислородом, создавая водяной пар и электричество. Другие, такие как BMW и Mazda, реализуют сжигание водорода в ДВС.

Главная же проблема – как хранить водород в автомобиле. Наиболее перспективный вариант – металлгидриды – ёмкости со специальными сплавами, которые впитывают водород в свою кристаллическую решётку и отдают его при нагревании. Таким образом достигается самая высокая безопасность хранения и самая высокая плотность упаковки топлива. Но это и самый хлопотный, и дальний по срокам массовой реализации вариант. Ближе к серийному производству топливные системы с баками, в которых водород хранится в газообразном виде под высоким давлением (300–350 атмосфер), либо в жидком виде, при сравнительно невысоком давлении, но при низкой (253 С) температуре.

Следующий важный вопрос – способ подачи топлива в двигатель. В этом плане показателен опыт компании BMW, построившей в рамках программы Cle-an Energy в 1999–2001 годах несколько двухтопливных (бензин/водород) автомобилей.

Их 4,5-литровые V-образные 8-цилиндровые двигатели развивают на водороде 184 лошадиные силы. На этом топливе (ёмкость бака составляет 170 литров) автомобиль может пройти 300 километров, и ещё 650 километров – на бензине (в машине оставлен стандартный бак). Сначала компания развивала впрыск газообразного водорода во впускные трубы (перед клапанами). Потом экспериментировала с непосредственным впрыском газообразного водорода (под большим давлением) непосредственно в цилиндр.

По прогнозам западным автомобилестроителей в последующие три года водородные заправки построят во всех западноевропейских столицах, а также на самых крупных трансъевропейских магистралях. В 2015-м на дорогах их будет уже несколько тысяч таких автомобилей. В 2025 году четверть мирового автопарка будет работать на водороде.[12–11, 12–12, 12–13].

В Университете Огайо США разработали эффективный способ получения водорода из мочи.

Рис. 12-8. Электролитическая ячейка по получению водорода из мочи.

Под действием электролиза мочевина разрушается с выделением водорода.

Основной компонент мочи – мочевина, в состав которой входит четыре атома водорода, образующих менее прочные связи, чем связи О-Н в воде. Разработан никелевый электрод, электролиз на котором приводит к селективному окислению мочевины. Для расщепления мочевины требуется напряжение 0.37В, в то время, как для расщепления воды требуется 1.23В.

В ходе электрохимического процесса мочевина адсорбируется на поверхности никелевого электрода. При электролизе на катоде выделяется чистый водород, анодный электродный процесс приводит к образованию азота и следовых количеств кислорода и водорода. Образующийся в процессе электроокисления углекислый газ связывается в карбонат гидроксидом калия, содержащемся в растворе. ТЕРМОХИМИЧЕСКИЙ МЕТОД.

При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500–800 °C (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H₂, СО и CH₄.

Себестоимость процесса $5–7 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до $1.5.

БИОХИМИЧЕСКИЙ МЕТОД.

В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes, Enterobacter cloacae.

Возможно применение различных энзимов для ускорения производства водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), содержащихся в биомассе. Процесс проходит при температуре 30 °C и нормальном давлении. Себестоимость водорода около $2 за кг.

Методом ацетоно-бутилового брожения (Closttridium aceto-butylicum) сахарозы или крахмала с 1 тонны мелассы можно получить до 140 м³ водорода, 1 т стеблей сладкого сорго – 50 м³, 1 т картофеля – 42 м³. При ацетонбутиловом брожении с 1 т картофеля получают 25 м³ водорода, тогда как 1 т стеблей сладкого сорго дает 30 м³.

Из биогаза.

Водород может производиться риформингом биогаза или лэндфилл-газа. Паровая конверсия – получение чистого водорода из лёгких углеводородов (например метана, пропан-бутановой фракции) путём парового риформинга (каталитической конверсии углеводородов в присутствии водяного пара).

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂ – реакция парового риформинга;

СО + H₂O = CO₂ + 3H₂ – реакция конверсии СО. [12–15]

12.11. Современные технологии [12–16]

Аэробное производство биоводорода[12–17].

В США обнаружен штамм микроба, фиксирующего азот океана, – самый эффективный по производству водорода из всех известных до настоящего момента.

Цианобактерия природного происхождения Cyanothece 51142 превращает солнечную энергию в водород в аэробных условиях со скоростью, в несколько раз превышающей другие фотосинтетические микробы.

Обычно, микробы, продуцирующие водород, работают в анаэробных условиях. Это происходит потому, что ферменты (нитрогеназа и/или гидрогеназа), которые они используют для продуцирования водорода, ингибируются кислородом. Благодаря пониманию пути роста и фиксирования азота бактерией Cyanothece 51142, ученые определили, что нитрогеназа включена в ее метаболизм, что вызывает подозрения в продуцировании этим ферментом водорода при необычно аэробных условиях.

Цианобактерия Cyanothece 51142 способна производить водород в анаэробных условиях т. к. она контролирует метаболические процессы циркадными часами.

Она производит фотосинтез в течение дня и фиксирует углерод, который сохраняется в виде гликогена и ночью она начинает процесс фиксации азота, используя гликоген как источник энергии и нитрогеназу для конверсии N₂ в NH₃ и H₂ как побочный продукт. Несмотря на присутствие кислорода, высокие темпы дыхания создают анаэробные условия в клетках, которые позволяют нитрогеназе функционировать.

Благодаря росту клеток в среде, поддерживаемой глицерином и инкубацией в атмосфере аргона, ученые получили самый высокий выход водорода – 467 мкмоль водорода на 1 мг хлорофилла в час, что на порядок выше, чем любой другой известный фотосинтетический микроб, производящий водород.

Система нитрогеназы в целом была отклонена для изучения многими учеными как устойчивый способ получения водорода, в основном из-за дополнительных накладных расходов на клеточную энергию в форме АТФ, необходимой для данного пути. Настоящая работа заставляет поновому взглянуть на эту систему. Это прекрасный пример того, что можно извлечь из природы и применить в биотехнологии, хотя предстоит еще много изучить перед тем, как такие системы будут применены в коммерческом секторе.

12.12. Водородный транспорт

Водородный транспорт – это различные транспортные средства, использующие в качестве топлива водород. Это могут быть транспортные средства как с двигателями внутреннего сгорания, так и с водородными топливными элементами.

К концу 2006 года во всём мире функционировало более 140 водородных автомобильных заправочных станций. Из общего количества заправочных станций, построенных 2004–2005 году, всего 8 % работают с жидким водородом, остальные с газообразным.

Планируется строительство:

Водородное шоссе (Калифорния) – К 2010 году 200 заправочных станций на главных шоссе штата.

Hi Way Initiative – водородное шоссе в штате Нью-Йорк (США).

Водородный коридор (Канада) – 900 км. водородного коридора вдоль главных дорог между Монреалем и Виндзором.

HyNor (Норвегия) – водородное шоссе между городами Осло и Stavanger (580 км.) до 2008 года.

2H2 – водородное шоссе Иллинойса.

SINERGY – Сингапурская энергетическая программа

The Northern H (Канада, США) – К 2010 году планируется соединить заправочными станциями крупные города вдоль главных торговых путей Манитобы (Канада), Дакоты, Миннесоты, Айовы и Висконсина.

New York Hydrogen Network: H2-NET (США) – 20 заправочных станций между Нью-Йорком и Буффало (штат Нью-Йорк).

General Motors заявлял о возможных планах строительства 12000 водородных заправочных станций в городах США и вдоль главных автострад. Стоимость проекта компания оценивает в $12 млрд.

Отсутствие водородной инфраструктуры является одним из основных препятствий развития водородного транспорта. Зачем строить инфраструктуру, если нет автомобилей, потребляющих водород? Зачем производить автомобили на водородных топливных элементах, если нет инфраструктуры?

Решением проблемы может стать применение водорода в качестве топлива для двигателя внутреннего сгорания, или смесей топлива с водородом, например, HCNG. В январе 2006 года Mazda начала продажи битопливного автомобиля Mazda RX-8 с роторным двигателем, который может потреблять и бензин, и водород.

ВОЗДУШНЫЙ ТРАНСПОРТ.

Корпорация Boeing прогнозирует, что топливные элементы постепенно заменят в авиации вспомогательные энергетические установки. Они смогут генерировать электроэнергию, когда самолет находится на земле, и быть источниками бесперебойного питания в воздухе. Топливные элементы будут постепенно устанавливаться на новое поколение Боингов 7E7, начиная с 2008 года.

ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫЙ ТРАНСПОРТ.

Для данных приложение требуется большая мощность, а размеры силовой установки имеют малое значение.

Железно-Дорожный исследовательский технологический институт (Япония) планирует запустить поезд на водородных топливных элементах в эксплуатацию к 2010 году. Поезд сможет развивать скорость 120 км/ч., и проезжать 300–400 км. без заправки. Прототип был испытан в феврале 2005 года.

В США с 2003 года разрабатывается локомотив массой 109 тонн водородным топливным элементом мощностью 1 МВт.

ВОДНЫЙ ТРАНСПОРТ.

В Германии производятся подводные лодки класса U-209 с двумя топливными элементами по 120 кВт. каждый производства Siemens AG. U-209 стоят на вооружении Германии, поступили заказы из Греции, Италии, Кореи, Израиля.

Под водой лодка работает на водороде, и практически не производит шумов.

В США поставки SOFC топливных элементов для подводных лодок должны были начаться в 2006 году. Компания FuelCell Energy разрабатывает 625 кВт.

ТОПЛИВНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ ВОЕННЫХ КОРАБЛЕЙ.

Японская подводная лодка Urashima с топливными элементами PEMFC производства Mitsubishi Heavy Industries была испытана в августе 2003 года.

СКЛАДСКИЕ ПОГРУЗЧИКИ.

Чуть менее половины новых топливных элементов, установленных в 2006 году на транспортные средства, были установлены на складские погрузчики. Замена аккумуляторных батарей на топливные элементы позволит значительно сократить площади, занимаемые аккумуляторными цехами. Wal-Mart в январе 2007 года завершил вторую серию испытаний складских погрузчиков на топливных элементах.

12.13. Мобильные топливные элементы

Производство электрической энергии для мобильных устройств: мобильных телефонов, ноутбуков и т. д.

В 2006 году (как и в 2005) во всём мире было изготовлено около 3000 шт. мобильных приложений. Одним из основных потребителей была армия США. Армии требуются легкие, ёмкие, бесшумные источники энергии.

Благодаря спросу со стороны военных, США заняли первое место в мире по количеству разработок в портативных приложениях. На Японию пришлось всего 13 % новых разработок в 2005 году. Наиболее активными были компании производители электроники: Casio, Fujitsu Hitachi, Nec, Sanyo и Toshiba.

Весной 2007 г. компания Medis Technologies начала продажи водородных топливных элементов для мобильных устройств.

В портативных и электронных приложениях доминируют PEM и DMFC топливные элементы.

12.14. Двигатель внутреннего сгорания и водород

BMW Hydrogen 7 с водородным двигателем внутреннего сгорания.

Водород может использоваться в качестве топлива в обычном двигателе внутреннего сгорания.

В этом случае снижается мощность двигателя до 82 %-65 % в сравнении с бензином.

Если внести небольшие изменения в систему зажигания, мощность двигателя увеличивается до117 % в сравнении с бензиновым аналогом, но тогда значительно увеличится выход окислов азота из-за более высокой температуры в камере сгорания и возрастает вероятность подгорания клапанов и поршней при длительной работе на большой мощности.[18].

Кроме того, водород при температурах и давлениях, которые создаются в двигателе, способен вступать в реакцию с материалами двигателя и смазкой, приводя к более быстрому износу.

Обычный ДВС для работы на водороде не подходит, так как водород легко воспламеняется от высокой температуры выпускного коллектора. Обычно для работы на водороде используется роторный двигатель, так как в нём выпускной коллектор значительно удалён от впускного.

В настоящее время ограниченными партиями выпускаются:

BMW Hydrogen 7. Битопливный (бензин/водород) легковой автомобиль. Используется жидкий водород;

Ford E-450. Автобус.

Mazda RX-8 hydrogen. Битопливный (бензин/водород) легковой автомобиль.

Городские низкопольные автобусы MAN Lion City Bus.

Берлинская транспортная компания BVG (Berliner Verkehrsbetriebe) к ноябрю 2009 года приобрела 14 автобусов MAN с двигателями внутреннего сгорания, работающими на водороде[18].

Boeing Company разрабатывает беспилотный самолёт большой высоты и продолжительности полёта (High Altitude Long Endurance (HALE). На самолёте установлен HICE производства Ford Motor Company[18]

Авиация.

В начале 1980-х годов в конструкторском бюро Н. Кузнецова (Самара) были разработаны авиационные двигатели, предназначенные для пассажирских самолётовТуполева. Эти двигатели, работающие на водороде, прошли стендовые и лётные испытания.

Водород производится на борту самолёта из углеводородов.

3 апреля 2008 года компания Boeing провела лётные испытания лёгкого двухместного самолёта Dimona с силовой установкой на водородных топливных элементах[18].

Водородные топливные элементы.

Водородные топливные элементы могут производить электрическую энергию для электродвигателя на борту транспортного средства, заменив тем самым двигатель внутреннего сгорания, или применяться для бортового питания.

Первое транспортное средство на топливных элементах создала в 1959 году компания Allis-Chalmers Manufacturing Company (США). Щелочные топливные элементы (AFC) были установлены на трактор. В 1962 году – на автомобиль для гольфа. В 1967 году компания Union Carbide (США) установила топливные элементы на мотоцикл.

Автомобильный транспорт.

Hyundai Tucson FCEV на водородных топливных элементах.

Основное преимущество внедрения топливных элементов в транспортные средства: высокий КПД. Например, паровоз за 150 лет своей эволюции смог достичь 5 % КПД. КПД современного автомобильного двигателя внутреннего сгорания достигает 35 %, а КПД водородного топливного элемента – 45 % и более. Во время испытаний автобуса на водородных топливных элементах канадской компании Ballard Power Systems был продемонстрирован КПД 57 %.

КПД классического свинцового аккумулятора70-90 %. Основной фактор, сдерживающий массовое производство электромобилей – дороговизна и несовершенство аккумуляторов.

Свинцово-кислотные аккумуляторы обладают низкой ёмкостью и большой массой.

Никель-металл-гидридные аккумуляторы обладают недостаточной емкостью и неспособностью держать высокие токи разряда. В настоящее время актуальны литий-ионные аккумуляторы, но они тоже имеют проблему с обеспечением высокого тока нагрузки. Но наиболее перспективными на сегодняшний день являются литий-воздушные аккумуляторы. Также перспективным направлением является применение на гибридных и электрических автомобилях суперконденсаторов. На автомобилях и автобусах устанавливают, как правило, топливные элементы на протон-обменной мембране (PEM). Их основные преимущества: компактность, малый вес, низкая температура процесса.

В 2002 году Департамент Энергетики США (DoE) поставил цель – снизить к 2010 году стоимость топливных элементов до $45 за 1 кВт установленной мощности и до $30 к 2015 году (в долларах 2002 года, без учёта инфляции). Это означает, что источник электричества для силовой установки мощностью 100 кВт. (134 л. с.) будет стоить $3000, что сопоставимо со стоимостью двигателя внутреннего сгорания[12–18].

Совершенствование PEM топливных элементов продолжается. Они становятся легче, компактнее, дешевле. Теперь могут запускаться при температуре минус 30 °C.

Автомобили с силовыми установками на водородных топливных элементах производят и испытывают:

Ford Motor Company – Focus FCV;

Honda – Honda FCX;

Hyundai – Tucson FCEV (топливные элементы компании UTC Power);

Nissan – X-TRAIL FCV (топливные элементы компании UTC Power);

Toyota – Toyota Highlander FCHV;

Volkswagen – space up!;

General Motors;

Daimler AG – Mercedes-Benz A-Class;

Daimler AG – Mercedes-Benz Citaro (топливные элементы компании Ballard Power Systems);

Toyota – FCHV-BUS;

Thor Industries – (топливные элементы компании UTC Power);

Irisbus – (топливные элементы компании UTC Power);

и другие единичные экземпляры в Бразилии, Китае, Чехии и т. д.

С 2003 года по 2006 год 36 автобусов по программе Clean Urban Transport for Europe проехали более 2 млн км. и перевезли 6 млн пассажиров.

Экономичность топливных элементов.

Opel Zafira с силовой установкой на водородных топливных элементах мощностью 94 кВт. в условиях Вашингтона потребляет 1,83 кг водорода на пробег 100 миль (160 км.), то есть 4,3 литра бензинового эквивалента. Водород на заправочной станции Вашингтона продавался по цене $4,75 за кг (данные на 2005 год)[18].

Бензиновый аналог Opel Zafira с двигателем объёмом 1,6 л. мощностью 85 кВт. потребляет 5,8 л. бензина на 100 км в условиях трассы.

National Renewable Energy Laboratory (США) в своих расчётах использует среднюю дальность пробега легкового автомобиля 12000 миль в год (19200 км.), потребление водорода – 1 кг на пробег 60 миль (96 км.). То есть одному легковому автомобилю на водородных топливных элементах в год требуется 200 кг водорода, или 0,55 кг в день. Один килограмм водорода считают равным по энергетической ценности одному галлону бензина (3,78 л)[12–18].

Железнодорожный транспорт.

Железнодорожные двигательные установки должны развивать довольно большую мощность, тогда как размеры железнодорожных двигательных установок имеют малое значение.

Железнодорожный транспорт представляет собой огромный рынок сбыта для силовых установок на водородных топливных элементах. В настоящее время около 60 % грузов по железной дороге во всём мире перевозят тепловозы.

Железнодорожный исследовательский технологический институт (Япония) планирует запустить поезд на водородных топливных элементах в эксплуатацию к 2010 году.

Поезд сможет развивать скорость 120 км/ч., дальность пробега на одной заправке – 300–400 км. Прототип был испытан 18 февраля 2004 года[18].

В США эксплуатация локомотива на водородных топливных элементах мощностью 2 тысячи л.с. должна была начаться в 2009 году[18].

Локомотив создавался с 2003 года при участии Министерства обороны США (DoD) для нетактических военных целей и коммерческих приложений[19]. В Дании водородный поезд курсирует между городами Vemb, Lemvig и Thyboron.

Протяженность маршрута – 59 км, что ограничено ёмкостью водородных баков.

Проект получил название Danish Hydrogen Train Project[20] Разработки водородного железнодорожного подвижного состава также ведутся в Японии компаниями Hitachi[20^ Kinki Sharyo[18].

Институт транспорта и инфраструктурных систем Fraunhofer (Германия) создал прототип гибрида трамвая и автобуса. AutoTram оснащен водородным топливным элементом и маховиком, который заряжается при торможении и разгоняет вагон при старте. Прототип имеет длину 18 метров, но институт заявляет, что возможно создание 56-метровых вагонов вместимостью 300 пассажиров. Топливный элемент производства компании Ballard Power Systems, маховик компании CCM Nuenen. 10 кг водорода хранится на крыше. AutoTram развивает скорость 60 км/ч.[12–18].

Водный транспорт.

Hydrogen challenger – германский танкер. Производит водород на борту из энергии ветра.

Для внедрения водородных топливных элементов в морской транспорт в Европе в 2003 году был создан консорциум FellowSHIP (Fuel Cells for Low Emissions Ships) [12–18].

В консорциум FellowSHIP входят компании Det Norske Veritas (DNV), Eidesvik Offshore, MTU CFC Solutions, Vik-Sandvik и W?rtsil? Automation Norway.

Также в Европе созданы:

Консорциум Fuel Cell Boat BV. В консорциум входят компании: Alewijnse, Integral, Linde Gas, Marine Service North и Lovers.

Некоммерческая ассоциация Водорода и Топливных Элементов на Морском Транспорте (Marine Hydrogen & Fuel Cell Association MHFCA). В ассоциацию вошли 120 организаций.

Цели ассоциации: разработка планов применения водорода на морском транспорте, установление контактов для совместных исследовательских проектов, определение приоритетов для развития, преодоление барьеров, разработка кодов, стандартов и правил использования водородных технологий в морских приложениях.

В Германии производятся подводные лодки класса ^212с топливными элементами производства Siemens AG. U-212стоят на вооружении Германии, поступили заказы из Греции, Италии, Кореи, Израиля. Под водой лодка работает на водороде и практически не производит шумов.

Испанская судостроительная компания Navantia, S.A. планирует начать производство подводных лодок класса S-80 с силовыми установками на PEM водородных топливных элементах мощностью 300 кВт. Водород производится на борту подводной лодки из этанола.

Поставщик топливных элементов компания UTC Power (США). S-80 предназначены для охраны побережья. Применение водородных топливных элементов позволит сократить уровень шумов, и увеличить время нахождения под водой.

Эксплуатация Zemships началась летом 2008 года.

Исландия планирует перевести на водород все рыболовецкие суда. Для производства водорода будет использоваться геотермальная энергия и энергия ГЭС. [12–25].

Авиация.

Самолёт Boeing с силовой установкой на топливных элементах. Первый пилотируемый полёт самолёта с силовой установкой на PEM топливных элементах мощностью 20 кВт. состоялся 3 апреля 2008 года[12–18].

[12–24]. Проект разрабатывался компанией Boeing и группой европейских компаний. Топливные элементы производства компании UQM Technologies (США).

Fraunhofer Institute (Германия) разрабатывает беспилотный вертолёт с силовой установкой на водородных топливных элементах. Вес топливного элемента – 30 грамм, мощность 12 ватт, [12–18].

Также беспилотные летательные аппараты с топливными элементами разрабатываются компаниями США и Израиля.[12–21].

Вспомогательный транспорт.

Вспомогательный транспорт – эксплуатирующийся на ограниченных пространствах: складах, аэродромах, крупных промышленных производствах, военных базах и т. д. Наиболее активно водородные топливные элементы устанавливаются на складские вилочные погрузчики. Чуть менее половины новых топливных элементов, установленных в 2006 году на транспортные средства, были установлены на складские погрузчики. Замена аккумуляторных батарей на топливные элементы позволит значительно сократить площади, занимаемые аккумуляторными цехами. Для обслуживания аккумуляторов 12 погрузчиков требуется 370 кв.м., тогда как водородная заправочная станция занимает площадь 18,5 кв.м. (данные испытаний Wal-Mar). На заправку водородом одного погрузчика требуется всего около 2 минут. Крупные распределительные центры площадью 90000 м² требуют 100–300 погрузчиков и по три комплекта аккумуляторов на каждый погрузчик. Аккумуляторы меняются по 300 раз в сутки. Крупные розничные сети (Wal-Mart, Kroger, Target, Sysco, SuperValu, Aholdи т. д.) управляют парком 5000-20000 складских погрузчиков.

В 2009 году в США начался активный перевод складских погрузчиков на водород.

Свои погрузчики на водород начали переводить компании: Nestle[12–18], розничная сеть H-E-B (Техас) [12–18], Anheuser Busch[12–18], Nissan[12–18], GENCO[12–18], Coca-Cola[12–18], и другие

Другие виды транспорта.

Велосипед с водородными топливными элементами производства китайской компании Shanghai Pearl. Экспорт в Испанию начался в мае 2008 года.

Водородные топливные элементы устанавливаются на велосипеды, мотоциклы, скутеры, подводные лодки и др.

Бортовое питание.

Водородные топливные элементы могут использоваться для бортового питания самолётов, морских судов, крупных грузовиков. Для бортового питания могут применяться SOFC топливные элементы.

В 2006 году производители топливных элементов совместно с Европейским Агентством Авиационной Безопасности (EASA) начали разрабатывать стандарты сертификации топливных элементов для самолётов.

Airbus выступает координатором европейского проекта New Configured Aircraft (CELINA).

Проект работает над снижением веса и размеров топливных элементов мощностью 400–600 кВт. 40 % электроэнергии Airbus A330-300 будет вырабатывать в водородных топливных элементах. Разработчикам поставлена цель – увеличить это количество до 60 %.

Первые лётные испытания установки для бортового питания на водородных топливных элементах мощностью 20 кВт. проведены Airbus в феврале 2008 года на самолёте Airbus A320 [12–18].

Использование силовых установок на водородных топливных элементах на самолётах позволит снизить уровень шума, потребление топлива и выбросы парниковых газов.

Boeing также разрабатывает SOFCтопливные элементы для бортового питания. Силовая установка мощностью 440 кВт. позволит сократить потребление керосина на 75 % во время стоянки на земле. Боинг планирует завершить разработки к 2015 году.

В марте 2008 года во время экспедиции STS-123 шаттла Endeavour топливные элементы производства компании UTC Power преодолели рубеж в 100 тысяч операционных часов в космосе [12–18].

Водородные топливные элементы производят энергию на борту шаттлов с 1981 года.

Факторы, сдерживающие внедрение водородных технологий.

1. Отсутствие водородной инфраструктуры; 2. несовершенные технологии хранения водорода; 3.отсутствие стандартов безопасности, 4.хранения, транспортировки, применения и т. д.;5. безопасное хранение водорода требует большего объёма топливных баков, чем для бензина.

Поэтому в разработанных на сегодняшний день автомобилях замена топлива на водород приводит к значительному уменьшению объёма багажника. [12–18]. Возможно в будущем эта проблема будет преодолена, но скорее всего за счёт некоторого повышения габаритов транспорта.

В Италии заработала первая в мире водородная электростанция [12–22].

Крупнейшая итальянская энергетическая компания Enel начала эксплуатацию водородной электростанции, не выбрасывающей в атмосферу парниковых газов. Электростанция, не имеющая пока аналогов в мире, располагается в Порто-Маргера, промышленном пригороде Венеции. Предприятие мощностью 12 МВт работает на водороде, поставляемом местным нефтехимическим заводом Polimeri Europa Электроэнергии, вырабатываемой новым предприятием, достаточно для удовлетворения нужд 20 тысяч семей. Благодаря новой станции объемы выбросов углекислого газа сократятся на 17 тысяч тонн в год.

В конце 2006 года компания Enel начала выполнение пятилетнего плана, касающегося использования возобновляемых источников энергии.

Водородная электростанция была построена в рамках проекта Hydrogen Park, который предусматривает проведение исследований в области водородной энергетики и инвестиции в чистые источники энергии в размере 7,4 млрд евро до 2012 года.

12.15. Этапы перехода к водородной энергетике

Как наиболее реальными и экономически подтвержденными можно представить следующие основные этапы перехода к водородной экономике.

1 этап – 2010 г. Замена на автотранспорте нефтяных моторных топлив на природный газ в том числе – на сжиженный (СПГ), инфраструктура которого близка жидководородной.

2 этап – 2012 г. Наряду с применением в качестве моторного топлива СПГ, использование водорода в качестве добавки (5 – 8 %) к основному моторному топливу в ДВС или в электрохимических генераторах гибридных двигателей.

3 этап – 2020 г. Получение водорода с частичным использованием ВИЭ (по прогнозу их доля в производстве электроэнергии в мире возрастет до 18 – 20 %) и переработанного угля.

4 этап – 2050 г. Перевод всех видов энергетики и транспорта на водород, производимый преимущественно от ВИЭ (к этому периоду их доля в выработке электроэнергии в мире составит примерно 40 %), термоядерной энергии и угля. Актуальность скорейшего перехода к водородным проектам позволила бы накопить опыт практической работы по созданию и освоению водородных технологий (производству, накоплению, транспортировки, созданию заправочных станций и др.), разработке необходимых для их безопасной эксплуатации кодов и стандартов, начать подготовку квалифицированных специалистов, повысить уровень доверия городского населения по отношению к водородному топливу. В конечном счете уровень освоения водородных технологий по прогнозам специалистов будет в будущем определять энергетическую и экономическую безопасность страны.[12–23].

Рис. 12-9. Электростанция на водороде.

12.16. Водородный беспилотный самолет завершил первый испытательный полет

В январе 2011 г. беспилотный самолет на водородном топливе «Global Observer» удачно приземлился в Калифорнии на базе военно-воздушных сил США в Эдвардсе, удачно завершая первый испытательный полет.

В течение воздушного экзамена водородный беспилотник провел в воздухе 4 часа и достиг высоты полтора километра над уровнем моря. Этот тест был продолжением испытаний начавшихся в августе 2010 года, которые включали первый полет водородного дрона, но при этом моторы самолета питались обычными химическими аккумуляторами.

Проект Global Observer обошелся в 140 миллионов долларов, и был разработан компанией AeroVironment в рамках программы «Демонстрация возможностей современных технологий», призванной развивать современные технологии, имеющие перспективу использования в военных целях. Данный водородный летательный аппарат предназначен для длительных автономных полетов в воздушных слоях стратосферы, и сможет выполнять некоторые функции современных спутников, но при этом обходиться в десятки раз дешевле как с финансовой, так и с экологической точек зрения.

Летательный аппарат длиной 21 метр имеет размах крыльев 53 метра и приводится в движение четырьмя высокоэффективными электромоторами, которые отвечают за вращение двулопастных пропеллеров. Электричество генерируется водородным двигателем внутреннего сгорания, поэтому самолет имеет нулевой углеродный след в процессе эксплуатации.

Рис. 12–10. Беспилотный самолет на водороде.

Это уникальный самолет может находиться в воздухе 5–7 дней на высоте от 15–20 тысяч метров над уровнем моря. Водородный беспилотник спроектирован так, чтобы его мог поднимать транспортный самолет типа C-130, так как весит он всего 180 кг.

Global Observer – первая адекватная замена дорогостоящему орбитальному спутнику, так как позволяет вести наблюдение за поверхностью Земли и поддерживать беспрерывную связь в любом уголке планеты 24 часа в сутки, 7 дней в неделю и 365 дней в году, то есть так долго, как это будет необходимо.

Находясь в стратосфере, беспилотный аппарат не зависит от погодных условий и способен обслуживать площадь диаметром 1000 км.

Области применения.

Согласно информации, предоставленной компанией-разработчиком водородного самолета, в мире нет аналогов Global Observer по надежности, дальности и времени полета. Заявленные высоты эксплуатации исключают влияние метеоусловий и воздушного трафика на выполнение поставленных задач.

Новый самолет может проводить наблюдение, фотосъемку, отслеживать изменение погоды, выполнять роль спутника связи. В военных целях этот аппарат будет использоваться для разведки и координации движения войск, следить за перемещением нелегальных военных формирований.

Компания продолжит испытания самолета, постепенно увеличиваю высоту и дальность полета, параллельно совершенствуя конструкцию и доводя самолет до готовности к серийному производству.

Рис. 12–11. Беспилотный аппарат в стратосфере.

Литература

12-1.Биоводород, ru.wikipedia.org.

12-2.Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии www.pereplet.ru.

12-3.Создан дешевый катализатор для получения водорода из воды www.ria.ru.

12-4.Алюминий выделил водород из воды при комнатной температуре., www.Infox.ru.

12-5.Видимый свет и фотокаталитическое получение водорода. www.chemport.ru.

12-6.Preparation and enhanced visible-light photocatalytic H2-production…

www.xlink.rsc.org.

12-7.Дух Маат – …двигатель, работающий на водороде, полученном из воды., www.spiritofmaat.ru.

12-8.Бензиновый двигатель, работающий на водороде, полученном из воды www.spiritofmaat.ru.

12-9.Газ Брауна., www.shram.kiev.ua.

12-12-10.Водородная энергетика и двигатели внутреннего сгорания на основе воды и водорода. www.o8ode.ru.

12-11.Легасов В. А. 1980, Атомно-водородная энергетика и технология, М., 1978, с. 11–36;

12-12. Мищенко А. И., Применение водорода для автомобильных двигателей,

К., 1984; McAul-iffe Ch. A., Hydrogen and energy, Ц., 1980.

12-13.Необычное сырье для водородной энергетики: Новости химии…

www.chemport.ru.

12–14. Электролитическая ячейка по получению водорода из мочи., Chem.

Commun., 2009, DOI: 10.1039/b905974a

12-15. Биоводород – Википедия.

12-16. Весь раздел «Современные технологии»., www.

12-17. Аэробное производство биоводорода. www.chemport.ru.

12–18. Водородный транспорт – Википедия., ru.wikipedia.org.

12-19. Водородный транспорт.,

www.baryshnikovphotography.com.

12-20. Гибридные виды транспорта – n1.docx bib.convdocs.org.

12-21. Беспилотные летательные аппараты (БЛА) зарубежных стран…

www.modernarmy.ru.

12-22. В Италии заработала первая в мире водородная… – Компьюлента

www.compulenta.ru.

12-23. Этапы перехода к водородной энергетике – Вода www.o8ode.ru.

12–24. Водородный беспилотный самолет завершил первый… www.facepla.net

12–25. Водородное топливо., www.student.zoomru.ru.

Глава 13. Син-газ

13.1. Биотопливо нового поколения – син-газ

Газификация древесины и другого лигноцеллюлозного сырья в течение многих лет является одним из основных методов производства низкокалорийного топливного газа. Топливный газ может быть непосредственно использован в котельных, обжигательных печах и разного вида топках, а после охлаждения, очистки и осушки – в качестве топлива в двигателях внутреннего сгорания. Состав получаемых при газификации газов зависит от природы применяемого сырья, типа окислителя, температуры процесса и давления. Наибольшую ценность представляет среднекалорийный газ, особенно синтез-газ (в основном состоящий из СО и Н₂). При газификации древесины получают синтез-газ (син-газ), который по составу идентичен синтез-газу, вырабатываемому газификацией угля, паровой конверсией природного газа и др.

Пиролиз биомассы осуществляется при ее нагревании в отсутствии кислорода с образованием жидкого топлива, газов и древесного угля. Выход продуктов пиролиза зависит от условий проведения процесса и типа сырья. В свою очередь, условия процесса определяются природой сырья, заданными продуктами производства.[13-1]

Синтез-газ или син-газ – смесь монооксида углерода и водорода. В промышленности получают паровой конверсией метана, парциальным окислением метана, газификацией угля или органических отходов. В зависимости от способа получения соотношение СО:Н2 варьирует от 1:1 до 1:3. Основные области использования: получение монооксида углерода и водорода, производство метанола, оргсинтез, синтез Фишера-Тропша. [13-2,13-3].

13.2. Термохимическая конверсия биомассы

Широкую известность получил процесс превращения биомассы в жидкое топливо пиролизом со ступенчатым испарением, где в качестве сырья используются твердые городские отходы, древесная кора и др. [13-1]

Основными технологическими узлами установки являются отделения для предварительной обработки древесины, производства синтез-газа, реакторное и секция для разделения продуктов ожижения. В отделении для предварительной обработки древесины биомасса (в виде древесной щепы) высушивается, измельчается и смешивается с рециркулирующей частью производимого жидкого топлива. Полученная суспензия нагревается до 200 °C и под давлением 23 МПа подается в реактор, где в присутствии раствора углекислого натрия в качестве катализатора и смеси газов оксида углерода и водорода (поступающего из отделения производства синтез-газа после очистки последнего от СО₂ и Н₂О) при температуре 340 °C и давлении 23МПа происходит ожижение биомассы.

Неочищенная жидкая фракция содержит, кроме образовавшегося жидкого топлива, непрореагировавшую древесину, катализатор и нерастворимые твердые вещества, для очистки от которых она направляется в сепараторное отделение. Извлеченные из неочищенного жидкого топлива твердые вещества и водорастворимый катализатор возвращают в систему. Общий тепловой КПД промышленной установки (с учетом всех потерь) составляет 50–60 %.

Основными преимуществами превращения биомассы методом термохимической газификации являются высокие эффективность и скорость превращения. К недостаткам процесса относится возможность переработки сырья только с низким содержанием влаги, а также высокие температура и давление, сложные техническое оформление и управление процессом.

Рис. 13-1 Схема получения продуктов из твердого органческого сырья через синтез-газ.

Продукты, получаемые на основе синтез-газа.

Альтернативные технологии получения качественных моторных топлив включают стадии газификации твердого сырья в смесь CO и Н₂ и последующего синтеза углеводородных смесей, используемых в качестве бензина, дизельного топлива или компонентов моторных топлив по схеме (рис. 13-1).

Жидкие продукты процесса Фишера-Тропша, образующиеся из синтез-газа на промотированных железных или кобальтовых катализаторах, содержат преимущественно неразветвленные парафиновые углеводороды. Фракции этих жидких продуктов могут использоваться в качестве дизельных и турбинных топлив с минимальной переработкой.

Осуществление процесса Фишера – Тропша в жидкой фазе с использованием суспензии катализатора дает возможность перерабатывать синтез-газ с высоким содержанием CO в качественные жидкие топлива. Применение синтез-газа с высоким отношением CO\H₂ позволяет исключить стадию конверсии CO водяным паром, которая обычно используется для получения дополнительного количества Н₂, и повысить термическую эффективность процесса.

13.3. Обзор современных технологий газификации биомассы [13-4]

Термохимическая газификация представляет собой процесс частичного окисления углеродсодержащего сырья, такого, как биомасса, торф или уголь с получением газообразного энергоносителя – генераторного газа. Полученный газ состоит из монооксид углерода, водорода, метана, диоксида углерода, небольшого количества углеводородных соединений более высокого порядка, таких как метан и этан, содержит пары воды, азот (при воздушном дутье) и различные примеси, такие как смолы, частицы углистого вещества и золы. В качестве окислителя при газификации могут использоваться воздух, кислород, пар или смеси этих веществ. Максимальная температура процесса составляет 800…1300 °C. [13-4]. При воздушной газификации получают низкокалорийный газ 4…6 МДж/м³.

Газификация с использованием кислорода дает среднекалорийный газ (10… 12 МДж/м³), пригодный для ограниченной транспортировки по трубопроводу и для использования в качестве синтез-газа целью получения метанола и газолина. Среднекалорийный газ (15…20 МДж/м³) может быть получен также путем паровой (пиролитической) газификации..[13-4]. По типу слоя сырья и способу подвода окислителя основные технологии могут быть разделены на газификацию в плотном (неподвижном) слое с восходящим/ нисходящим/ поперечным движением газа, газификацию в кипящем слое (стационарный КС, ЦКС, два реактора КС) и газификацию в потоке.

Газификация Биомассы с целью получения тепловой энергии достигла коммерческого уровня… Наиболее известными сегодня являются газификаторы с ВДГ Bioneer компании Bioneer Oy (теперь Foster Wheeler Energia Oy, Финляндия) и реакторы PRM Energy Systems, Inc. (США), газификаторы с ЦКС Pyroflow компании A. Ahlstrom Oy (теперь Foster Wheeler Energia Oy) а также компаний Lurgi Energie und Umwelt (Германия) и TPS Termiska Processer AB (Швеция). Foster Wheeler Energia Oy входит в состав Foster Wheeler Corporation с главным офисом в США В мире имеется около 25 производителей газификаторов с НДГ и более 10 производителей газификаторов с КС и ЦКС; ряд компаний выпускает реакторы с ВДГ и другие виды. [13-4].

К крупным производителям газификаторов относятся PRIME-NERGY Inc. (США, ВДГ), Babcock & Wilcox Volund ApS (Дания, ВДГ), KARA Energy Systems BV (Нидерланды, НДГ, КС), Kvaerner Pulping AB Power Division (Швеция, ЦКС), Future Energy GmbH (Германия, НДГ, газификация в потоке). [13-4].

В середине 1980-х гг. VTT и Bioneer Oy провели широкомасштабные исследования по газификации различных видов сырья, таких как древесная щепа, лесные отходы, торф, солома, гранулы из горючей части ТБО, смесь угля с древесной щепой, смесь горючей части ТБО с древесной щепой. Исследования были выполнены на пилотном газификаторе Bioneer мощностью 1,5 МВт. Содержание пара в воздушном дутье поддерживалось в пределах 0,15…0,19 кг Н₂О/кг сухого воздуха. Мощность газификатора при проведении исследований составляет 50…100 % от номинальной мощности. Типичный состав генераторного газа при работе на древесной щепе влажностью 41 %: СО 30 %, Н₂ 11 %, СН43 %, N₂ 49 %; высшая теплота сгорания 6,2 МДж/нм³. Концентрация смол в сухом генераторном газе находилась в диапазоне 50…100 г/нм³.[13-4].

Газификатор Bioneer с восходящим движением газа.

Газификатор Bioneer с ВДГ разработан в Финляндии компанией VTT в сотрудничестве с SME Company. Bioneer проводит низкокалорийный генераторный газ с большим содержанием смол. Генеторный газ может применяться на тепловых станциях 1…15 МВтт и мини-ТЕЦ 1…3 МВт, на дизельных электростанциях после каталитической очистки, а также в сушильных и технологических печах. В 1982–1986 гг. были построены девять газификаторов Bioneer (4…5 МВтт) и введены в эксплуатацию на коммерческом уровне в Финляндии и Швеции. Газификаторы Bioneer полностью автоматизированы и достаточно терпимы к характеристикам используемого сырья (фракционный состав, влажность). Поскольку эти газификаторы работают только с целью получения теплоты, большое содержание смол и пыли в генераторном газе не вызывает проблем. В настоящее время технология газификации, подобная Bioneer, предлагается также компанией Carbona Oy (Финяндия). На тепловой станции Kauhajoki (Финяндия) мощностью 5 МВт газификатор Bioneer работает в паре с котлом. Газификатор состоит из питателя, шахтного реактора, футерованого огнеупорным материалом и вращающейся конусной решетки. Сырье подается в газификатор сверху и, перемещаясь вниз, проходит последовательно зоны сушки, пиролиза, газификации и горения. Зола, оставшаяся после горения, удаляется через решетку в нижней части газификатора. Температура в зоне горения регулируется путем изменения влажности воздушного дутья. Воздух и пар подаются в газификатор снизу через вращающуюся решетку. Генераторный газ по короткой теплоизолированной трубе поступает в горелку, сконструированную специально для сжигания низкокалорийного газа газификатором Bioneer, прочистка каналов, по которым проходит генераторный газ, выполняется каждые 2–6 недель в зависимости от свойств сырья и мощности газификатора.[13-4].

Газификатор Pyroflow с циркулирующим кипящим слоем.

Газификатор Pyroflow с ЦКС разработан компанией A. Ahlstrom Oy. Первый коммерческий газификатор мощностью 35 МВтт установлен в 1983 г. для обжиговой печи компании Wisa-forest Oy (Финляндия). После этого еще три газификатора мощностью 15…35 МВт были установлены для коммерческого использования полученного газа в обжиговых печах в Швеции и Португалии. Простая технология газификации, реализованная на ТЭЦ Kymijarvi, подходит только для древесной биомассы и чистой горючей части отходов. При такой технологии много золы вместе с генераторным газом попадает в угольный котел. Использование ряда других потенциальных видов биомассы (солома, энергетические культуры) и отходов (промышленные, ТБО) практически невозможно, поскольку они содержат большое количество хлора, щелочных металлов и алюминия, которые вызывают коррозию и засорение трактов котла.[13-4].

Газификатор Lurgi с циркулирующим кипящим слоем.

Немецкая компания Lurgi Energie und Umwelt – разработчик и производитель газификаторов с циркулирующим кипящим слоем.

Первый коммерческий газификатор мощностью 27 МВт был установлен в 1987 г. на крупной бумажной фабрике в Австрии и работал на древесной коре. Процесс газификации протекал при давлении около 1 бара, проведенный ГГ частично охлаждался и сжигался в печи для обжига извести. Степень конверсии углерода в этом газификаторе оказалась существенно ниже, чем ожидалось (всего 84 %) вследствие высокого уноса частиц сырья в циклон. Генераторный газ используется в кальцинаторе цементной печи, обеспечивая 30…40 % необходимой тепловой энергии. Зола применяется для производства цемента. Газификатор работает только на достаточно чистой биомассе (древесных отходах), поскольку в противном случае это отрицательно сказывается на качестве цемента. Lurgi имеет также установки на электростанциях в Нидерландах и Италии.[13-4].

Газификатор PRM Energy Systems с восходящим движением газа.

PRM Energy Systems (США) более 20 лет специализируется на коммерческих газификаторах ВДГ и имеет 19 установок, работающих на пяти континентах мира. Ежегодно на этих установках перерабатывается около 500 тыс. т биомассы, в основном, рисовой шелухи. Ряд установок также вырабатывают электроэнергию… Первые два коммерческих газификатора были внедрены на крупной фабрике по переработке риса в 1982 г. в США. Произведенный ГГ сжигается в коте, замещая потребление природного га, а пар используется в сушильных аппатах. С 1985 г. газификаторы этой компании работают в Австралии, с 1987 г. – в Малайзии, с 1995 г. – в Коста-Рике. Одна из последних установок PRM Energy Systems (4 МВтэ) построена в 2003 г. в Rossano (Италия). Она состоит из газификатора PRMES KC-18, системы охлаждения, очистки и контроля качества генераторного газа, а также шести газовых двигателей Guascor S.A. (Испания). Газификатор работает на жмыхе маслин (потребление 4500 кг/час) без какой-либо предварительной подготовки сырья. Газификационная система включает систему подачи и дозирования сырья, газификатор, выложенный изнутри огнеупорным материалом, автоматическую водоохлаждаемую систему беспрерывной выгрузки золы, многозонную систему подачи дутья и систему автоматики. Генераторный газ охлаждается водой в теплообменнике и поступает в скруббер, где происходит дальнейшее охлаждение и очистка от твердых частиц и смол. Смолы поступают обратно в газификатор, ГГ немного сжимается и подается в двигатели. Установка в Rossano – первая в мире газификационная установка, работающая на жмыхе маслин с целью про однако, в Италии газификатор Lurgi сейчас заменяется реактором компании Carbona Inc для производства электроэнергии [13-4].

Другие газификаторы.

Организация Wamsler Umwelttechnik GmbH (теперь Hugo Petersen Umwelten-gineering, Германия) имеет успешный опыт работ по созданию газификационных установок с нисходящим движением газа. В 1994 г. три такие установки тепловой мощностью 0,6…1,5 МВт были запущены в Германии, с 1998 г. работает демонстрационная установка мощностью 0,6 МВт. Wamsler также имеет опыт в очистке генераторного газа в скрубберах и эксплуатации газодизельного двигателя мощностью 200 кВт, работающего на генераторном газе. Институт технологий газа (Institute of Gas Technology, США) и фирма Enviro-power Inc. (совместное предприятие Tampella Power Systems, Финляндия, и Vat-tenfall AB, Швеция), теперь Carbona Inc. (Финляндия), провели работы по доведению до коммерческого уровня технологии газификации БМ под давлением с использованием парогазотурбинных установок. В рамках этой программы в г. Тамере (Финляндия) была сооружена и в 1993 г. запущена пилотная установка с гафикатором Tampella ЦКС мощностью 15 МВтт. Установка использовалась для отработки газификации под давлением и производства тепловой энергии. Было наработано более 2000 часов и переработано более 5000 т сырья. Сырьем для газификации служит смесь кокса, биомассы и угля. Биомасса представляет собой различные виды древесных отходов, солому и стебли люцерны. Сырье подвергается предварительному измельчению и просушке. Газификация протекает при температуре 850⁰ С и давлении 20 бар. Генераторный газ после выхода из газификатора проходит очистку в двух циклонах, устройстве по удалению серы и фильтре горячей очистки. После очистки одна часть газа возвращается в газификатор для создания дутья, другая – поступает в котел для выработки тепла. После котла продукты сгорания проходят через электростатический фильтр и выбрасываются в дымовую трубу [13-4]. Совместные работы Института технологий газа и Carbona Inc. закончились созданием коммерческого газификатора IGT RENUGASTM. Газификация в этом реакторе проходит при температуре 840…950 °C. Дутьем является смесь воздуха и пара. Воздух подается из компрессорной секции газовой турбины через бустер-компрессор, пар подводится из паровой турбины. Газификатор работает с т. н. «фонтанирующим» слоем, в котором происходит интенсивная циркуляция твердых частиц от верхней до нижней части ректора, что обеспечивает высокую скорость процесса газификации и максимальный уровень крекинга смол. В настоящее время установка описанной конструкции мощностью 8 МВт действует на сахарном заводе в Paia, Гавайи (мощность по сухому сырью 50 т/день). FERCO Enterprises, Inc. (США) в течение многих лет занимается разработкой и исследованием технологии газификации биомассы в двух реакторах кипящего слоя. Технология SilvaGas воплощена на демонстрационной установке в г. Бернгтон, США (60 МВт). Установка работает на БМ различного вида влажностью 10…50 % и производит среднекалорийный генераторный газ (17…19 МДж/нм³), который сжигается в котлах. В настоящее время FERCO Enterprises работает над проблемой использования ГГ в ПГТУ ВГ. Demag Delaval Industrial Turbo-machinery (Великобритания) продемонстрировала возможность сжигания ГГ SilvaGas в газовой турбине с минимальной модификацией ее конструкции. Разрабатывается концепция электростанции мощностью 23 МВт [13-4].

13.4. Экономические аспекты процесса газификации БМ с целью получения тепла

Газификатор Bioneer продемонстрировал хорошие техникоэкономические показатели работы, в том числе при частичной загрузке (85…90 %). Для обслуживания тепловой станции с газификатором Bioneer необходим персонал в количестве 3–4 чел. Эксплуатационная готовность газификатора 95…97 %. Удельные капитальные затраты составляют 420 долл./кВт, эксплуатационные затраты – около 20 долл./МВт. ч. Стоимость произведенной тепловой энергии 24 долл./МВт. ч [13-4]. В 1998 г. Foster Wheeler Energia Oy ввела в эксплуатацию новый газификатор Pyroflow стоимостью около 15 млн долл. на ТЭЦ Kymijarvi (Lahti, Финяндия). Газификатор был подсоединен к существующему угольному котлу. Производительность газификатора по топливу (древесная биомасса и горючая часть отходов) составляет около 300 ГВт. ч/год. С технологической точки зрения основной эффект от газификаторов Pyroflow, установленных в 1980-х гг. для обжиговых печей, состоит в том, что газификатор в Lahti перерабатывает сырье без сушки. Влажность топлива может доходить до 60 %. Мощность газификатора колеблется в диапазоне 40…70 МВт в зависимости от влажности и теплотворной способности сырья. Процесс проходит при атмосферном давлении и температуре около 850?С. Производится низкокалорийный генераторный газ (2,0…2,5 МДж/нм³) следующего состава: CO₂ 12,9 %, CO 4,6 %, H₂ 5,9 %, N₂ 40,2 %, H2O 33 %, CxHy 3,4 %. Газ очищается в циклоне, немного охлаждается в воздухоподогревателе (подготовка дутья для газификатора) и поступает в котел. В котле имеются две газовые горелки, расположенные ниже угольных. Генераторный газ замещает около 15 % угля, потребляемого котлом [13-4]. Авторы [13-4] методом компьютерного моделирования провели сравнение технико-экономических показателей двухстадийного газификатора, разработанного в Техническом университете Дании, и разновидности газификатора с НДГ – реактора с постоянным поперечным сечением (без горловины), в который биомасса подается непосредственно через открытый верх. Рассматривался случай работы газификаторов в составе миниТЭЦ. Мощность обоих газификаторов составляла 2 МВт, капитальные затраты – 1 млн Евро/МВт. Результаты исследования показали, что система с двухстадийным газификатором имеет больший КПД выработки электроэнергии (32,5 %), тогда как система с реактором с НДГ – больший КПД производства тепловой энергии (63,5 %). В целом работа мини-ТЭЦ с двухстадийным газификатором является чуть более экономичной – доход от продажи электроэнергии больше на 10 тыс. Евро/год по сравнению с газификатором с НДГ. В работе [13-4] выполнено сравнение катальных и эксплуатационных затрат двух газификаторов ЦКС – TPS (газификация при низком давлении) и Tampella (газификация при высоком давлении). Рассматривается вариант производства генераторного газа для использования в печах для обжига извести. Удельные капитальные затраты составляют 498 долл./кВт для TPS и 448 долл./кВт для Tampella. Эксплуатационные расходы (без учета стоимости сырья) составляют 4,6 % и 5,5 % от капитальных затрат для TPS и Tampella, соответственно. [4].

Рис. 13-2 Электрогенератор мощностью от от 50 кВт до 500 кВт. Работает на 100 % генераторном (синтез) газе из биомассы. [13-5].

Рис 13-3 Электростанция на генераторном (синтез) газе. [13-6].

Рис. 13-4 Электрогенератор мощностью 1 МВт, использующий син-газ. Китай. [13-7].

13.5. Производство электроэнергии при газификации биомассы

Рис. 13-5. Система Берман BES производства электроэнергии при использовании генератоного газа из биомассы. производителем.[13-8].

Рис. 13-6 Газификатор Бермана при сжигании биомассы в кипящемслое. [13-8].

Газификационная система основана на неподвижном слое газогенератора, или, как более сложные системы, на использовании технологии в кипящем слое.

13.6. Использование син-газа

К концу 50-х годов прошлого века в мире были созданы разнообразные газогенераторные двигатели мощностью от 1 до 5 400 л.с. Эти двигатели использовались в энергетике, качестве силовых агрегатов наземных (легковые и грузовые автомобили, трактора, тепловозы, мотовозы, дрезины, мотоциклы и др.) и водных (теплоходы, катера и другие самоходные плавсредства) транспортных средств, для привода сельскохозяйственных орудий и других агрегатов (мельниц, пилорам и т. п.), в коммунальных и в иных целях.[9].

Рис. 13-7 Автомобиль с газогенератором – автомобиль, двигатель которого получает в качестве топливной смеси газ, вырабатываемый газогенератором [13–10,13-11].

Рис. 13-8. Газификационная установка (электростанция) имеет высокую энергоэффективность. Так на выработку 1 кВт электрэнергии требуется примерно 1,3–1,8 кг рисовой шелухи или соломы или 1,1 – 1,6 опилок или лигнина.[13–10].

Литература

13-1.Третьяков В. Ф., Антонюк С. Н., Сысоев М. М., Альтернативный способ получения синтез-газа., Москва, 2003 г.

13-2. СИНГАЗ: биотопливо нового поколенияю.,

www.newchemistry.ru.

13-3. Процесс Фишера – Тропша – Википедия ru.wikipedia.org..

13-4.Т. А. Железная, Г.Г. Гелетуха., Обзор современных технологий газификации биомассы., www.biomass.kiev.ua.

13-5.Biomass Gas Generator-Biomass Gasification Power Plant., www.mrindus.com.

13-6.Biomass gasification power plant system Manufacturer – Chongqing Fengyu Electric Equipment Co., Ltd., www.ecvv.com.

13-7.Shengdong New Energy Co., Ltd

gasgeneratorsets.,en.ecplaza.net.

13-8.Gasification technology «berman besbermanbes.co.uk., www.

13-9.Газогенерторная отрасль в послевоенные годы. www.alternativenergy.ru.

13-10. Оборудование для газификации древесных отходов и… www.c-a– m.narod.ru.

13-11. Автомобиль с газогенератором., www.jeep4x4club.ru.

Глава 14. Биоуглеводороды

Широкий простор перед исследователями и производителями биоуглеводородов открывает генная инженерия.

Их промышленное производство может проходить по четырем основным направлениям.

14.1. Основные направления биопродуцирования углеводородов

1. Ферментация (ПРОИЗВОДСТВО УГЛЕВОДОРОДОВ ГЕНЕТИЧЕСКИ МОДИФИЦИРОВАННЫМИ МИКРООРГАНИЗМАМИ ИЗ УГЛЕВОДОВ РАСТЕНИЙ.): Ферментативный или химический гидролиз лигноцеллюлезы или гемицеллюлоз до сахаров с последующей конверсией-ферментацией ди– и моноуглеводов посредством генетически модифицированных микрорганизмов в разнообразные углеводороды. Этот процесс аналогичен тому, который используется для производства этанола из кукурузы или сахарного тростника, а также других углевод– или крахмалосодержащих продуктов: сладкого сорго, сахарной свеклы, древесины и т. д.

2. Газификация (ГАЗИФИКАЦИЯ, СИНТЕЗ-ГАЗ, КАТАЛИЗ): Твердая необработанная древесная биомасса подвергается термохимической газификации с образованием синтез-газа(смесь монооксида углерода и водорода). Синтез-газ является исходным материалом для каталитических химических реакций, таких, как синтез Фишера-Тропша, которые преобразуют синтез-газа в жидкое топливо.

3. Пиролиз (ПИРОЛИЗ, КАТАЛИЗ, ГИДРООЧИСТКА): Процесс похож на газификацию, но в отсутствии воздуха. Высокий нагрев приводит к нарушению сложной структуры лигнина для получения промежуточных биомасел. Как правило, эти биомасла впоследствии превращают в жидкое топливо через каталитическую реакцию.

4. Конверсия водорослей (БИОМАССА – БИОНЕФТЬ): В настоящее время имеется три основных пути для получения топлива из водорослей:

Модификация водорослей генной инженерией для эффективного образования биоуглеводорордов.

2) экстракция из водорослей биоуглеводородов как продуктов природного метаболизма с последующей химической обработкой.

3) Биомасса водорослей подвергается пиролизу с последующей гидроочисткой. Культуры водоросли преобразуются в полном объеме с помощью пиролиза (см. выше).

Во всех случаях, биоуглеводороды, полученные из водорослей, становится жидким топливом похожим на дизельное топливо или бензин.

14.2. Генномодифицированные продуценты биоуглеводорордов

Калифорнийская компания Amyris в партнерстве с производителем бразильского этанола группой Сан-Мартиньо на основании работ лаборатории Wackett и лаборатории Джеффри Института биотехнологии Университета Миннисоты разрабатывает проект производства биоуглеводородов генномодифицированными фотофиксирующими диоксид углерода микроорганизмами [14-1, 14-2]

В качестве такого модифицированного микроорганизма используется один из видов Shewanella.

Shewanella oneidensis – грамотрицательная, факультативно анаэробная бактерия рода Shewanella, обитающая предпочтительно на дне моря в анаэробных условиях, осадочных отложениях, также может быть найдена в почве. Способна восстанавливать соединения металлов. Галотолерантный (способен расти в 3 % растворе NaCl), факультативно анаэробный микроорганизм. Образует оксидазу и каталазу, не продуцируют индол, не сбраживают глюкозу. Способны восстанавливать триметиламин– N-оксид, оксиды железа^[3], оксид марганца, оксиды хрома, растворённые соединения урана. Способна к образованию биоплёнок на поверхности субстрата, также способна к адгезии на поверхность оксидов металлов.

Геном.

Геном S. oneidensis штамма MR-1 состоит из хромосомы, представляющей собой кольцевую. молекулу ДНК размером 4969803 п.н. и содержащей 4561 гена, процент % Г+Ц пар составляет 45,96 %, и плазмиды pMR-1 размером 161613 п.н. и содержащей 184 гена, процент % Г+Ц пар составляет 43,69 %.

Институт биотехнологии Университета Миннисоты разрабатывает проект производства биоуглеводородов генномодифицированными фотофиксирующими диоксид углерода микроорганизмами, в частности, бактерией Shewanella oneidensis. Стоимость проекта 2.2 млн. Долл. США[1]. (Несколько видов из рода Shewanella, производящие углеводороды, толерантны к углеводородам, и могут быть модифицированы для получения более высоких количеств углеводородов. Министерство энергетики (DOE) вложила значительные средства в исследования, направленных на глубокое понимание фундаментальной биологии и Shewanella, которые будут использованы здесь.

14.3. Botryococcus braunii (Bb) продуцент углеводородов

Solazyme – калифорнийская биотехнологическая компания разработала платформу для производства возобновляемых биомасел из микроводорослей. Эти возобновляемые биомасла могут служить сырьем для широкого спектра продуктов, таких как дизельное топливо и топливо для реактивных двигателей, а также он используется в пищевой и косметической промышленности.[14-3].

Botryococcus braunii – зеленая микроводоросль. Этот вид отличается своей способностью производить большое количество углеводородов в виде Тритерпенов, около 30–40 процентов от их сухого веса.[14-4].

Длинноцепочечные углеводороды могут составлять до 86 % от сухого веса клеток. Подавляющее большинство этих углеводородов: алкадиены и алкатриены. Они могут быть сырьем для получения бензина, керосина и дизельного топлива.

Организм Botryococcus braunii рассматривается как потенциальный продуцент возобновляемого топлива из-за его способности производить большое количество углеводородов. В зависимости от штамма и условий роста, до 75 % от сухой массы водорослей может быть углеводородами. Химическая природа углеводородов варьирует в зависимости от штамма-продуцента. Три расы B. braunii были зарегистрированы, и они могут быть дифференцированы на основе характеристик углеводородов, которые они производят. А-раса производит углеводороды с длиной цепочки от C25 до C31, n-алкадиены, и триены. В-расса производит тритерпеноидные углеводороды, известные как botryococcenes (CnH2n-10, N = 30–37), по-видимому изопреноидного происхождения. L-расса производит ликопадиены и C40 тетратерпены. [14-5].

B. braunii конвертирует в углеводороды до 3 % солнечной энергии[14-5]. Будучи фотосинтетическим организмом, водоросли могут фиксировать атмосферный CO₂. Следовательно, сжигание углеводородов водорослей не является чистым донором для концентрации СО₂ в атмосфере. Тепловое значение углеводородов биомассы варьирует в диапазонах между 30000 и 42000 кДж / кг[14-5] ТЭС мощностью 100МВт с использованием угля или жидкого топлива, получаемого из B. Braunii может сократить выбросы CO₂ на 1,5 х 105 т / год [5]. Потенциально, значения выбросов CO₂ может быть уменьшено за счет повышения эффективности фиксации СО₂ водорослями. Значительные усилия уделяются достижению этой цели.

Расы В. Braunii [14-6].

Участвует три расы B. braunii: A, B, L. Расы могут быть дифференцированы в целом на основе С-характерных углеводородов, которые они производят. Возгонка дает нечетные н-алкадиены и алкатриены от C25 до C31, Эти линейные олефины могут составлять до 61 % от сухой массы зеленой клетки активного состояния колоний (хх Gelpi и соавт., 1970). Два необычных углеводорода, триен C27H51 и тетраен C27H48, были выделены из штамма В. braunii, обитающего в озере Over-juyo, Боливия.

В-раса образуют полиметилированные ненасыщенные тритерпены – , называемые ботрикокценами-botryococcenes (CnH2n-10, N = 3037). Botryococcenes могут существовать в виде изомеров с тем же числом атомов углерода, но разные по структуре. В природных популяциях, botryococcene может составлять от 27 до 86 % от сухой массы клеток [14-6]. L-раса дает одно углеводородное вещество-C40H78, тетратерпены, известный как ликопадиен [14-6]. Этот углеводород составляет от 2 до 8 % от сухой биомассы [14-6]. Еще одно отличие между расами цвет колонии в стационарной фазе. B и L расы водоросли превращаются в красно-оранжевый и оранжевокоричневый из зеленого цвета активного состояния. А-раса водоросли получается бледножелтого цвета из зеленого. Это различие связано с накоплением кето-каротиноидов (кантаксантина, эхиненона, адониксантина и т. д.) в стационарных фазах В и L рас.

БИОСИНТЕЗ и накопление непредельных углеводородов

Раса А B. braunii продуцирует неизопренодные углеводороды: алкадиены и триены. Структурное сходство (местах двойных связей), и стереохимия алкадиенов напоминают, что это олеиновой кислоты (18:1, цис-ю9). Эти и другие данные свидетельствуют о том, что олеиновая кислота является прямым предшественником N-алкадиенов. Внутриклеточная концентрация олеиновой кислоты остается относительно низкой во время быстрого накопления углеводородов (например, в экспоненциальной и в начале линейного фазы роста), но когда образование углеводородов снижается (фаза замедления) концентрация олеиновой кислоты резко возрастает [14-6].

Системы Удлинения декарбоксилированием B. braunii является неспецифической и может принимать как олеиновую кислоту, так и элаидиновую кислоту (18:1, транс-ю9), чтобы продуцировать как цис-, так и трансдиены. Существует система Изомеризации, которая преобразует олеиновую кислоту в элаидиновую кислоту.

Раса B продуцирует изопреноидные соединения с необычными 1'-3 слиянием изопреновых единиц в центре цепи. Эти соединения известны как botryococcenes. Несколько биосинтетических механизмов для синтеза botryococcenes были предложены. Исследования показывают, что C30 botryococcene, исходная молекула для высших гомологов, построена из двух молекул фарнезил дифосфата, полученного из фарнезола под действием фарнезол фосфокиназы [14-6]. Пресквален дифосфат, полученный из фарнезил дифосфата через карбеновое дополнение в олефиновую двойную связь [14-6], является членом chrysanthemyl видов (1'-2-3 плавленых соединений). Циклопропилкар-бонил катион, генерованный ренлизом пирофосфата приводит к 1'-3 (artemisyl), 2–1'-3 (santolinyl), и 1'-1 (голова к голове) структурам.

Ботриококцены, принадлежащие к семейству artemisyl структур, формируются за счет перестройки циклопропилкарбинильного предшественника, в этом случае C30 катион (R = Cl1H19), в реакции прекращался путем передачи гидрида от NADH или NADPH к аллильному катиону [14-6].

В. braunii является потенциально хорошим возобновляемый источником полезных углеводородов, полисахаридов и других специальных химических продуктов. Каталитический крекинг водорослевых углеводородов имеет достаточно высокий октановый рейтинг для использования в качестве моторного топлива.

В настоящее время производство фотосинтезированных мазутов не конкурирует с топливами нефтяного происхождения. Одна из причин этого является относительно низкая скорость роста В. braunii. Гены синтеза углеводородов из B. braunii были клонированы в других микроорганизмов. Это потенциально может увеличить темпы производства и уменьшить проблемы, связанные с высокой вязкостью В. braunii бульонов. Существенные усилия необходимо приложить, чтобы культура В. braunii была использована в крупномасштабных системах.

14.4. Биобензин и биокеросин

БИОБЕНЗИН – Благодаря новому катализатору, разработанному в США, открываются возможности получения дешевого моторного топлива из биомассы. Катализатор, состоящий из наночастиц металла и углеродных нанотрубок, находится на границе раздела фаз между водной и масляной фазами, и может оказаться весьма полезным для превращения сырой биомассы в моторное топливо.[14-7].

В США специалисты и эксперты рассматривают развитие биотопливной промышленности как ускоренный вариант развития нефтяной промышленности. Широкие возможности по производству «зеленого» бензина из биомассы открывают химико-каталитические процессы, основанные на использовании новых твердых катализаторов..

БИОКЕРОСИН – керосин, полученный из биомассы.

Возможные сырьевые источники для получения биокеросина – это синтетические биотоплива, полученные из син-газа по технологии Фишера-Тропша, и биодизельное топливо, полученное гидрогенизацией растительных масел.

Ученые из Канады и Индии предлагают различные способы получения углеводородов из генномодифицированных диатомовых водорослей, клетки которых имеют жесткую оболочку из диоксида кремния.[14-8].

Углеводороды представлены в диапазоне от C7-Cl2 соединений и ?, ?, ? и ?-ненасыщенными альдегидами

УНИКАЛЬНЫЙ ГРИБ – ПРОДУЦЕНТ УГЛЕВОДОРОДОВ ИЗ ЦЕЛЛЮЛОЗЫ.

Ученые из университета штата Монтана (США) обнаружили Уникальный гриб тропических лесов, который образует из целлюлозы био-углеводороды, в том числе близкие к дизельному топливу [14-9].

Рис. 14-1 Гриб Gliocladium roseum – уникальный продуцент углеводородов.[14-9]

Уникальный гриб, который продуцирует дизельные соединений был обнаружен, в деревьях в тропических лесах… Гриб является потенциально совершенно новым источником экологически чистой энергии и ученые сейчас работают над созданием производства своего потенциального топлива.

Это единственный организм, который ранее не был известен как продуцент важных топливных веществ. Гриб может даже синтезировать эти дизельные соединения из целлюлозы, которая сделает ее лучшим источником биотоплива, что мы используем в данный момент.

Гриб, который был назван Gliocladium roseum, производит целый ряд различных углеводородных молекул, которые входят в состав дизельного топлива. Это биологическое топливо получило название «мико-дизель» или «грибное топливо».. Gliocladium roseum живет внутри дерева Ulmo в Патагонских тропического леса.

Когда исследовали газовый состав G. roseum, оказалось, что этот гриб продуцирует множество углеводородов и углеводородных производных. Результат был совершенно неожиданным. В тропическом лесу, G. roseum производит много длинноцепочечных углеводородов и других биологических молекул. Выращенный в лабораторных экспериментах гриб, синтезировал углеводороды, близкие к нефтяному дизельному топливу. G. roseum, однако, может сделать мико-дизель непосредственно из целлюлозы. Это означает, что если гриб будет использован для промышленного производства углеводородов из целлюлозы, то – это огромный шаг в решении проблемы моторных биотоплив.

14.5. Производство био-изобутанола и далее био-jet-реактивного топлива [14–10]

Успех любой новой отрасли заключается в ее способности к инновациям и росту. Будущий рост возобновляемых видов топлива может потребовать переход от продуктов первого поколения, таких как этанол и биодизель, к продуктам нового поколения, таких как изобутанол.

Изобутанол, форма биобутанола, имеет много исключительных характеристик, которые позволяют его использовать в различных формах:

• "как есть", т. е. в качестве растворителя или для подмешивания к бензину;

• Старинная, через известные процессы, к различным углеводородам для использования в нефтехимической и / или нефтеперерабатывающей промышленности;

• В существующем производстве, распределении, маркетинге и конечных пользователях активов.

В этой статье подчеркивается технологии, сырье и возможности роста рынка для изобутанола, с акцентом на потенциальные новые предложения для рынка в 2012 году.

Технология получения био-изобутанола.

Специализированный процесс производства био-изобутанол является ферментация в паре с интегрированной технологией разделения. Этот подход, разработанный за последние семь лет, был успешно доказан в лабораторных масштабах, на демонстрационной установки экспериментального завода мощностью на 3.8 тыс. тонн в год. В мае 2012 года первый в мире коммерческий, завод по производству био-изобутанола был пущен в Luverne, Миннесота, с мощностью 68.7 тыс. тонн.

Модификация биокатализатора.

Изобутанол является естественным продуктом брожения во многих технологиях, таких как выпечка хлеба и производстве шотландского виски, однако коммерческое использование изобутанола до сих пор было ограничено. Тем не менее, за счет инноваций в области микробиологии и биохимии, традиционные дрожжи были изменены, что делает возможным иметь значительно более высокую селективностью в производстве изобутанола, то есть, используя способности дрожжей, чтобы биосинтезировать изобутанол при ограничении путей производства этанола.

Уникальное запатентованное разделение.

Получение изобутанола: изобутанол удаляется из ферментационной среды, а оставшийся бульон возвращается для дальнейшего преобразования. Это имеет эффект сохранения концентрации изобутанола ниже уровня токсичности биокатализатора, но она позволяет улучшить конверсию.

Ведущая компания в области био-изобутанола преобразовает некоторые этанольные заводы для производства изобутанола.

По сравнению с этанолом, изобутанол имеет гораздо более низкое Давление пара по Рейду ((RVP)) и на 30 % более высокое содержание энергии. Октановое число изобутанола выше также. Изобутанол также имеет более низкое содержание кислорода (O ₂), что позволяет лучше смешиваеться с бензином, чем этанол. Больший объем смешивания, а также более высокое содержание энергии, тем больше возобновляемый идентификационный номер (RIN) поколения.

В отличие от этанола, который полностью смешивается с водой, изобутанол имеет ограниченную растворимость в воде (около 8,5 %). Изобутанол также не вызывает коррозионного растрескивания под напряжением в трубопроводах. Эти факторы приводят основные преимущества в плане логистики смешивания. Изобутанол может быть смешан как возобновляемое топливо бензином на нефтеперерабатывающем заводе и поставляются трубопроводами в качестве топлива на терминалы через существующую инфраструктуру, что в перспективе позволит отказаться от разделения емкостей и трубопроводов. Это также дает переработчикам возможность еще раз произвести спецификацию готового бензина по сравнению с субоктановым подмешиванием для кислородсодержащих смесей.

Био-изобутанол как возобновляемого сырья для BioJet [14–11].

На углеводородном заводе в Silsbee, Техас было продемонстрировано получение изопарафинового керосина (ИПК) BioJet из биоизобутанола. Процесс приведен на рис. 14-5.

Рис. 14-2. Блок-схема Процесс получения ИПК(изопарфириновый керосин) реактивного топлива из изобутанола

Производство IPK BioJet из био-изобутанола включает в себя три последовательных этапа:

1. Перевод возобновляемого изобутанола в изобутилен обезвоживанием;

2. Олигомеризация изобутилена (в основном тримеры / тетрамеры) для производства C ₁₂ и C ₁₆ молекул;

3. Гидрирование олефинов в ИПК BioJet.

Эти процессы представляют возможности для модернизации существующих нефтехимических активов. Коммерциализация процесса и интеграции его в существующий завод должны быть простыми.

Следует отметить, что как возобновляемые, так смеси бензина с изобутанолом и изооктанем (2,2,4-триметилпентен – непредельный углеводород алифатического ряда. Химическая формула: С(СН₃)₃– CH₂– CH(CH₃)=СН₂) не привязаны к переработке нефти, поэтому они не могут иметь эффект волатильности сырой нефти. Опять же, изобутилен ((СН₃)2С=СН₂ – ненасыщенный углеводород, изомерен бутилену)., Изооктен и изооктан (2,2,4-триметилпентан) также может быть отводится для производства других возобновляемых нефтехимических продуктов (например, PX-пароксилен).

Этот процесс BioJet был продемонстрирован в небольшом (мощность 46 м³ за месяц) блоке в течение нескольких месяцев. Алкогольный (ATJ) продукт был продан ВВС США в рамках процесса альтернативных сертифицированных видов топлива (AFCO). На рис. 14-6 изображен завод в Silsbee, Техас.

ИПК BioJet обладает некоторыми свойствами, которые повышают его стоимость. Низкая точка замерзания (-80 °C) и высокая устойчивость к окислению. Начиная с изобутанол, для возобновляемых IPK бы также создан RINs.

Рис. 14-3. IPK BioJet демонстрационной установки.

Применение Bio-изобутанола для получения возобновляемого параксилена (PX) для производства полиэтилен-терефталата (ПЭТ).

Как только было создано производство возобновляемых углеводородов, появилась возможность создавать возобновляемые источники углеводородов через традиционные или новые процессы. Один из таких новых процессов использует изооктен для получения PX, который затем может быть превращен в очищенную терефталевую кислоту (PTA), и далее в возобновляемый полиэтилентерефталат (ПЭТ) с помощью традиционных методов.

Рис. 14-4. Производство параксилена, смешанного бензина и/или реактивного топлива (BioJet) из био-изобутанола.

Опытная установка была создана для этого нового процесса, который дает PX с очень высокой селективностью по сравнению с другими ксилолами. Высокая селективность устраняет необходимость в этапах изомеризации ксилола, разделении и переработке. Кроме того, производство PX может быть интегрировано с остальным заводом биотоплива, как показано на рис. В зависимости от относительных количеств каждого возобновляемого продукта, даже водород, полученный на заводе PX, может быть использован в гидрирования BioJet.

14.6 Катализновые процессы производства углеводородного биотоплива [14–12]

В марте 2010 года, компании Virent и Shell объявили о первой в мире демонстрационной установке по получению Биобензина на основе Virent’s BioFor-ming® process. Демонстрационный завод в Мэдисоне, штат Висконсин может производить до 46000 литров (10.000 галлонов США) в год, который будет использоваться для испытаний в двигателях и во флоте.

Бензиновый продукт может быть получен с использованием цеолитов (ZSM-5). Используя катализируемую конденсацию, можно получить топлив для реактивных двигателей и дизельное топливо, и высокое октановое топливо можно получать с помощью обезвоживания / олигомеризации. [14–22].

14.7. BioForming

Virent’s BioForming технология основана на технологии новой комбинации водной фазы реформирования (АТР) с измененными обычной каталитической переработки. Технология APR был разработана в Университете Висконсина в 2001 году. BioForming технология расширяет полезность процесса APR путем объединения APR с катализаторами и системами реакторов, подобных тем, которые содержатся в стандартных нефтяных нефтеперерабатывающих и нефтехимических комплексах.[14–13]. В Нидерландах, компания Avantium Furanics разрабатывает процессы, в которых используется каталитическое обезвоживание / этерификация углеводов (например, целлюлозы, гемицеллюлоз, крахмала и сахарозы) для получения фурана, который может заменить нефтяные углеводороды. Они могут быть использованы для создания биотоплива, биополимеров и других продуктов. Этот процесс также может давать тепло и электроэнергию.

Производство следующего поколения зеленых углеводородов [14–14]

Канадская Компания Ensyn (Ottawa, Canada) лидер в области преработки растительной биомассы методом быстрого пиролиза (технология RTP)… владеет промышленными установками быстрого пиролиза для производства биомасла из древесной биомассы. При производстве биомасел твердую древесную биомассу взрывают в вихре горячего песка на подложке блока преобразования. Менее чем за две секунды древесина газифицируется. Затем генераторный газ конденсируется и извлекается в виде жидкого биомасла. Семьдесят пять процентов твердой древесной биомассы, введенной в систему RTP, превращается в высоко доходные биомасла. Жидкая древесина не смола (деготь). Это текучая жидкость, которая обрабатывается по технологии компании Ensyn в аналог сырой нефти, а также используется в качестве ресурса для изготовления других высокоценных биохимических продуктов. Остальные 25 процентов биомассы преобразуется в неконденсируемые газы и древесный уголь. Эти побочные продукты поступают обратно в подогреватель, чтобы обеспечить требуемую температуру для поддержания вихревого состояния песка при обработки. Больше энергии есть в газе и голец, чем требуется для управления этим процессом, поэтому подогреватель имеет избыток энергии. Ensyn использует этот излишек, чтобы высушить мокрую биомассу, которая прибывает на объект, а также поставляется другим потребителям промышленной тепловой энергии. С 1989 года заводы RTP компании Ensyn производили жидкие биомасла из твердой древесной биомассы с помощью запатентованного процесса быстрого термического пиролиза. Жидкое биомасло может заменить топливо, природный газ и уголь в широком спектр котельных приложений. Компания производит возобновляемые источники энергии в виде жидкого топлива, в отличие от газа или твердого топлива, что обеспечивает то, что известно как «развязки». С помощью развязки, производство может быть разделено временем и пространством от фактического использования продукта.

14.8. Химические вещества из углеводов Biorefinery [14–15]

Современные требования к надежности производства различных видов углеводородов, экологические и экономические проблемы побудили интерес к использованию ресурсов биомассы в качестве альтернативного источника углерода. Биопроизводства состоят из трех основных операций, аналогично используемым нефтехимическими заводами, кроме того, что они используют возобновляемые источники на основе растительных материалов вместо невозобновляемого углеводородного сырья.

Целлюлоза является наиболее распространенным органическим веществом на земле, по оценкам, годовой объем производства (со всех биосферных источников) около 90 млрд. тонн [14–15]. Гемицеллюлоза является еще одним из источников другого типа сахаров, в первую очередь ксилозы (сахар 5 – углерод). После выделения сахара из растительной биомассы его можно дополнительно подвергнуть химической, тепловой или биохимической переработке для создания портфолио видов топлива и химических веществ биологического происхождения.

Биорефининговая (Biorefining) промышленность находится в развитии, технологии быстро меняются. Типы продуктов, которые могут быть произведены из ресурсов биомассы разнообразны и огромны.

14.9. Изопрен

Изопрен – углеводород является одним из высоко требуемых товаров мирового рынка со стоимостью 1–2 миллиардов долларов/год. Он используется в производстве полимеров и синтетического каучука.

Изопентенил дифосфат (ИПП) является непосредственным предшественником изопрена и естественным полиизопреноидом. Два маршрута биосинтеза IPP были описаны: 1) у эукариот и архей, ИПП формируется хорошо известным путем через мевалонат. 2) в некоторых бактериях, альтернативный путь имеется – проходит через метилэритритол фосфат. [14–15].

Изопрен является прямой заменой для существующих высокостоймостных производств олефинов и биоуглеводороды могут служить прямым дропин (drop-in) в нефтехимической промышленности. Технология взламывания и реформирования длинных углеводородных цепей существует и коммерческое тестирование изопрена в стадии реализации. Процессы оптимизации темпов производства, урожайности, титры и допуски продукта необходимы. Генномодифицированные организмы для преобразования сахара в углеводороды должны быть разработаны.

14.10. Другие углеводороды

Длинноцепные углеводороды и эфирные липиды могут быть получены с использованием Vibrio furnissii. Бактерия изолирован от осадка сточных вод, продуцирует углеводороды в пределах от 15 до 24 атомов углерода из короткоцепных жирных кислот с наблюдаемым внеклеточным выходом выше, чем 120 % от сухого веса клеток [14–15]. Дальнейшее изучение показало, что V. furnissii M1 может производить различные углеводороды с использованием либо летучих органических кислот или сахара и обычно встречается в источниках органических отходов [15].

Несколько видов Arthrobacter были зарегистрированы как биосинтетики длинно'-цепных углеводородов C29 алкенов [14–15]. Возможность производить большое количество углеводородов из бактериальных источников является значительным.

14.11. Создание генномодифицированных штаммов водорослей-супер-продуцентов биоуглеводородов или Новая надежда К. Вентера: Синтетические Водоросли для биотоплива[14–16]

Команде Крейга Вентера (Джон Крейг Вентер (англ. John Craig Venter) – американский генетик, биолог и бизнесмен-организатор науки.) не удалось найти водоросли, естественно продуцирующие углеводороды в объемах, необходимых для крупномасштабного производства биотоплива.

Крейг Вентер меняет его отношение к источникам биотоплива, переводя акцент с природного продуцирования углеводородов водорослями на их биопродуцирование механизмами «синтетической» биологии – генномодифицированными высокопродуктивными штаммами.

B 2011 г., К. Вентер отметил, что естественные штаммы водорослей не в состоянии произвести биотопливо в количествах, необходимых для производства его в промышленных масштабах.

По мнению Крейга Вентера Биотоплива, производство которых может быть масштабировано и конкурировать с нефтью, должны быть синтезированы специально созданными генномидифицированными штамами морских водорослей, но не исходными природными продуцентами. [14–17]. Природные фотосинтезирующие водоросли могут продуцировать около 15 т топлива на гектар в год. Для масштабируемого производства биотоплива потребуется около 74.7-149.4 т/га в год. С 2009 года компания Вентера Synthetic Genomics Инк (SGI) и научно-инжиниринговая компания Exxon Mobil (EMRE) сотрудничают (объем инвестиций 600 млн. долларов), чтобы выделить или создать штаммы водорослей, обладающих такой скоростью фотосинтеза, при котором производились количества, необходимые для коммерциализации водорослевого биотоплива.

SGI – это инженерно– синтетические эукариотические водоросли, которые могут производить до 73.6 т/га топлива, что в 5 – 10-раз больше от его естественного состояния. Потому что имеются сотни компонентов, которые преобразуют углекислый газ и солнечный свет в углеводороды в водорослях, это увеличение кажется тривиальным при проектировании синтетических водорослей, согласно К. Вентеру.

Вентер и его исследовательская группа весной 2010 года продемонстрировала успешно созданное ими первую синтетическую бактериальную клетку, которая была контролируема полностью синтетическим геномом. Или, как объяснил Вентер «это первая клетка, имеющая компьютер для родителей» или «разработанная ДНК на живой системе.» Такая полностью синтетическая клетка может представлять способ (метод, биотехнологию) на пути создания производства конкурентного водорослевого биотоплива. [14–17].

Для дальнейшего объяснения синтетического аспекта, дизайнерский организм может быть разработан только для выполнения определенной задачи, аналогично превращению сахара в этанол, который привел бы к очень эффективному процессу. Природные микробы, с другой стороны, имеют другие жизненные приоритеты, как репликации. Но синтетический организм может быть создан просто для выполнения только одной функции. [14–17]. "Нам нужно фундаментальное изменение о том, как мы рассматриваем все это, и теперь у нас есть технология, чтобы начать делать это," отмечает Вентер.

Однако, другие исследователи, изучающие биосинтез биотоплива, сомневаются, что генная инженерия есть самый быстрый путь к коммерциализации этих процессов..

"Есть некоторые серьезные проблемы, чтобы преодолеть использование новой синтетической водоросли как генетически модифицированного организма (ГМО), для всесторонней оценки которой потребуются десятилетия, прежде чем он может быть развернут в поле. Некоторые страны, такие как Япония и Франция, по-прежнему, не позволяют использовать ГМО кукурузу или даже продукты, такие как масло, крахмал, кукурузная мука", – подчеркнул исследователь биотоплива Рэнди Райан.

Райан разрабатывает систему выращивания водорослей для производства биотоплив по проекту Комплексное проектирование аквакультуры Raceway (АРИД) при поддержке Национального альянса перспективных биотоплива и биопродуктов. Его команда разработала проект, которая стремится создать прототип для выращивания водорослей на сельскохозяйственные масштабе.

Исследовательская группа Рейна создала технологию, удваивающую продуктивность водорослей с выходом биотоплива до 89.695.4 т на гектар.

Проект АРИД подчеркивает необходимость контроля температуры без дополнительного покрытия, отопления, или инфраструктуры. Вместо этого, чтобы максимизировать поглощение солнечного света и сохранение тепла, дизайн призывает к движению воды из неглубоких прудов в глубокий канал, сохраняя тепло от солнца и позволяя водоросли максимально метаболическую активность.

В конце концов, Райан считает, что максимизация рост водорослей приведет к коммерциализации водорослей биотоплива. Но как быстро это произойдет, зависит от финансирования этого исследования.

Компания Solazyme получила Водорослевую нефть в этом году и она планирует коммерциализировать эту технологию в ближайшие годы. Solazyme засекретила существующие эффективные штаммы водорослей и культивирование их дизайнерской водоросли в бродильных чанах без солнечного света путем подачи ему сахар, а затем на имеющихся промышленного оборудования извлекает углеводороды.[14–17].

14.12. Биотопливо из водорослей. Часть вторая: путь вперед [14–18]

Рис. 14-3 Пруды рисовых плантаций используется для выращивания микроводорослей.

В то время как биотопливо, производимое водорослями, показывает большие возможности (перспективы) над получением топлива из продовольственных культур – они могут быть выращены на пустырях и производить больше энергии на квадратный фут, чем любые другие культуры – но необходимо решить ряд задач на этом пути.

Многим компаниям эта задача оказалась «не по плечу». [14–18].

Среда для выращивания (открытый пруд против закрытого биореактор) и методы для удаления внутриклеточных компонентов водорослей являются двумя наиболее распространенными задачами для продвижения производства водорослевого биотоплива.

Есть два способа выращивания водорослей для производства биотоплива: в открытых водоемах и в закрытых биореакторах. Оба преимущества имеют свои плюсы и минусы: открытый метод дешевле и менее энергоемким. Закрытый метод позволяет лучше контролировать условия выращивания и защищает от загрязнений. Водоросли компания Solazyme растет его водорослей в закрытых резервуарах брожения, в то время как Sapphire Energy проводит прорывы в открытым способом пруда.

Компания Solazyme из Сан-Франциско стала известной весной 2011 года, использовала водоросли, как ответвление от основного бизнеса при производстве альтернативных химических веществ и средств личной гигиены, чтобы финансировать разработку по созданию работоспособной технологии производства водорослевого биотоплива в закрытых реакторах по цене и масштабам, что позволит ей конкурировать с нефтью.

В 2012 году, компания вступила в партнерские отношения с бразильским пищевым гигантом Bunge, создав совместную компанию Solazyme Bunge Produtos Renovaveis. Новое предприятие получило кредит в размере 120 млн от бразильского банка развития в строительство своего первого в промышленных масштабах завода водорослего топлива в Бразилии. Объект находится рядом с предприятием по размолу сахарного тростника в Сан-Паулу, что позволит его использовать сахар в качестве сырья. Компания Solazyme, который планирует быть готовой к масштабному производству водорослевого биотоплива к концу 2013 года до 100 тысяч тонн топлива в год, масштабируя до 300 000 метрических тонн к 2016 году.

Компания Solazyme также планирует производить до 20 тыс. метрических тонн водорослевой нефти в штате Айова к 2014 году и далее увеличить производство до 100 тыс. тонн.

Компания также предполагает пустить в эксплуатацию завод меньшего масштаба в в Пеории, штат Иллинойс.

Многие современные производители водорослевого биотоплива высушивают водоросли для дальнейшего извлечения натуральных углеводородов, что увеличивает время и затраты на процесс.

Инженеры-исследователи Мичиганского университета разработали способ “pres-sure-cook” для извлечения из сырых водорослей до 65 процентов биоуглеводородного сырья всего за минуту.

Одним из преимуществ мокрого метода является то, что он не просто извлекать существующую жира из водорослейон также разрушает белки и углеводы. Метод Мичиган одну минуту решает эту задачу настолько успешно, что полученное масло содержит около 90 процентов энергии в оригинальной водорослей: вблизи верхней границы того, что можно с водорослями, говорит Сэвидж.

По другую сторону Атлантики, исследователи из Университета Шеффилда в Англии сделали уборку водорослей легче с помощью создания дешевый способ получения микропузырьков, которые позволяют частицы водорослей всплывать на поверхность воды, что делает сбор урожая проще и экономит время и деньги. Процесс использует 1000 раз меньше энергии, чтобы произвести пузыри, чем предыдущие методы и может быть установлен на гораздо более низкой цене, говорят исследователи.

В проектах по производству водорослевых углеводородов активное участие принимают такие гиганты Exxon-Mobile и ВР.

Министерство энергетики США имеет свои виды на производство водорослевого биотоплива и выделило на эти цели грант $ 15 млн. для создания испытательного стенда в Аризоне. НАСА также выступил с инициативой развития технологий по производству водорослевого биотоплива с прицелом использовать их в космических путешествиях на дальние расстояния, например, для полетов на Марс.

Синтетическая биология цианобактерий: уникальные вызовы и возможности [14–19].

Фотосинтезирующие организмы, и особенно цианобактерии, весьма перспективны как источники для производства возобновляемого топлива, объемных и специальных химических веществ, а также пищевых продуктов. Инструменты Синтетической биологии могут помочь раскрыть потенциал этих функций в циано-бактериях, но, к сожалению развитие инструментария для этих организмов отстало по сравнению с успехами для S.cerevisiae и кишечной палочки. В то время как эти организмы могут во многих случаях быть более успешно работать в качестве «шасси» штаммов для синтетической биологии, чем некоторые гетеротрофы, уникальные преимущества автотрофов в применения биотехнологий, а также научное значение улучшеного понимания фотосинтеза приводит к необходимости разработки этих систем в чем-то сродни «зеленой E.coli. В настоящее время изучаются уникальные проблемы и возможности для развития синтетических подходов биологии в цианобактерий. Известны классические и недавно разработанные методы построения целевых мутантов в различных штаммах цианобактерий, и генетические инструменты могут наиболее значительно расширить возможности проектировать новые функции в таких штаммах. На основании известных достижений можно построить геном – макеты цианобактерий метаболизма и использовать эти модели для измерения свойств автотрофного метаболизма.

14.13. Использование катализатора H + ZSM-5
при Каталитическом пиролизе зеленых водорослей для производства углеводородов [14–20]

Проведены исследования по производству биоуглеводородов технологией быстрого пиролиза и модернизации углеводородных топлив с использованием биомассы водорослей. Для исследований для пиролиза использовали зеленую водоросль хлореллу. Пиролиз водорослей дал выход биоуглеводородов в количестве 52,7 мас.%, Применение катализатора (H (+) ZSM-5) увеличивает загрузку биомассы до девяти раз, выход ароматических углеводородов возрастает с 0,9 до 25,8 мас.%..

14.14. Биодизель из водорослей, Соединенные Штаты Америки [14–21]

Морские водоросли

Но какие растения имеют самый высокий выход углеводородов с гектара? Одним из наиболее урожайных является обычное китайское растение Tallow (5.25 т/га), что далеко до победителей – определенных видов водорослей, которые могут дать больше, 75 -112.6 т/га.

Для сравнения с обычными семенами масличных культур, например, соей – 375 кг/га, рапс – 976 кг/га. Водоросли могут быть очень легко и быстро расти и могут выдержать суровые условия, такие как соль / солоноватой воды и палящими лучами солнца пустыни.

Рис. 14-4. Открытые фермы водорослей, которые могут производить 75 т/га нефти

В августе 2008 года группа по возобновляемой энергетике (REG) ведущей компании в производстве биодизельного топлива в США, основанной в городе Эймс, штат Айова, объявила, что она разработала масштабируемую коммерциализационную технологию по переработке и производству больших объемов высококачественного биодизельного топлива из водорослей различных высоко доходных штаммов. Продукт превосходит настоящее ASTM D6751 и EN 14214 спецификации качества, установленных для коммерческих биодизелей.

Литература

14-1.Wackett research team wins $2.2 million grant to explore production of hydrocarbons using bacteria.,

www.bti.umn.edu/gateway/arpa_e.hj

14-2. Amyris Gives Up Making Biofuels: Update

www.technologyreview.com/

14-3. Solazyme – Wikipedia, the free encyclopedia.

14-4. Botryococcus braunii – en.wikipedia.org.

14-5. A Renewable Source of hydrocarbons and other chemicals… – Massey University www.massey.ac.nz. Botryococcus braunii – RFE Renewable Fuel @ Energy, www.rfeholland.com.

14-6. Transcriptome analysis of an oil-rich race A strain of Botryo-coccus braunii

www.tulips.tsukuba.ac.jp

14-7. Биотопливо – Википедия ru.wikipedia.org.

14-8. Researchers Propose Milking Diatoms to Yield Massive Amounts.,

www.greencarcongress.com.

14-9. Unique rainforest fungus makes bio-hydrocarbons, including diesel…

news.mongabay.com.

14-10. Bio-isobutanol: The next-generation biofuel – Hydrocarbon Processing www.hydrocarbonprocessing.com.

14-11. Bruce A. Babcock Iowa Ag Review2009, Vol. 15 No. 2 www.card.iastate.edu.

14-12. Catalysis – novel processes to produce hydrocarbon biofuels www.biofuelstp.eu.

14-13. BioForming | Virent, Inc. www.virent.com.

14-14. Producing the Next Generation of Green Hydrocarbons – Biomass.www.. biomassmagazine.com/..

14-15. Chemicals from Biorefinery Carbohydrates – BioWeb – Sun Grant.www.. bioweb.sungrant.org.

14-16. BioTechniques – Venter's New Hope: Synthetic Algae for Biofuels, www.biotechniques.com.

14-17. Craig Venter: Algae fuel that can replace oil will not come from nature www.gigaom.com.

14-18. Biofuel from Algae Part Two: The Way Forward news., www.thomasnet.com.

14-19. Bertram M. Berla, Rajib Saha, Cheryl M. Immethun, Costas

D. Maranas Tae Seok Moon, and Himadri B. Pakrasi., Synthetic biology of cyanobacteria: unique challenges and opportunities., Front Microbiol. 2013; 4: 246.

14-20. Catalytic pyrolysis of green algae for hydrocarbon production using… www.ncbi.nlm.nih.gov.

14-21. Biodiesel from Algae, United States of America www.hydrocarbons-www.technology.com.

14-22. Компания Virent., www.virent.com.

Глава 15. Биотопливный потенциал России. Современное состояние и перспективы развития

НЕФТЯНОГО РОСТА БОЛЬШЕ НЕ БУДЕТ [15–46]

«Конечно, экономически выгодная солнечная энергетика – это дело конца столетия, но развивать его нужно уже сейчас. Научный потенциал нашей страны еще достаточно силен, чтобы создать новые высокотехнологичные отрасли.» Академик Ж.И. Алферов [15-2].

Россия вышла на плато по уровню добычи нефти, и, как полагают эксперты, вероятность реализации негативного сценария, предполагающего снижение добычи "черного золота" на 10 % уже к 2035 году, весьма высока.

Человек всегда искал, ищет и будет искать альтернативу ископаемым видам топлива [15-1].

Лауреат Нобелевской премии, академик РАН Ж.И. Алферов:

«….альтернативная энергетика – это движитель массы новых технологий, и без нее человечество не проживет. В самой альтернативной энергетике важнейшее направление – преобразование солнечной энергии, наиболее мощного источника. Подсчитано, что если бы мы перешли на альтернативную энергию в мировом масштабе, то к 2020 году, когда потребление энергии должно вырасти до 16 триллионов ватт, нам хватило бы 11 триллионов ватт за счет уменьшения потерь. Конечно, экономически выгодная солнечная энергетика – это дело конца столетия, но развивать его нужно уже сейчас. Научный потенциал нашей страны еще достаточно силен, чтобы создать новые высокотехнологичные отрасли.» [15-2].

Биоэнергетика является альтернативной энергетикой и все сказанное Ж.И. Алферовым о последней имеет прямое отношение и к промышленной биоэнергетики.

15.1. Россия. Современное состояние проблемы по разработке технологий и производств моторных биотоплив из биомассы

Биоэнергетический потенциал России.

На территории России ежегодно конвертируется до 227 х 10²¹Дж солнечной энергии и продуцируется до 14–15 млрд. тонн биомассы в результате усвоения 21–22.5 млрд. тонн CO₂.

Энергия химических связей биомассы, продуцируемой на территории России составляет 0.24 х 10²¹Дж, что эквивалентно 8.6 млрд. тонн условного топлива или нефтяного эквивалента. [15-1].

Россия может стать основным мировым производителем и экспортером моторных биотоплив любого класса [15-1].

Потенциально отходы по лесопроизводству и деревообработке при условии полной вырубки годовой лесосеки могут составлять до 245 млн. тонн/год. А при переходе на современные технологии ведения лесопроизводства (Швеция и Финляндия) они могут составить до 700 млн. тонн/год.

Ежегодное количество органических отходов (по с.в.) по разным отраслям народного хозяйства России составляет более 220 млн.т. Сельскохозяйственное производство дает 200 млн. т, твердые бытовые отходы городов – 16 млн. т, осадки коммунальных стоков – 4.9 млн. т [15-1].

Потенциальные возможности России по производству биоэтанола и биобутанола из непищевого сырья (мелассы – отходы сахарного производства, технического картофеля, сладкого сорго и топинамбура) могут составлять более 15 млн. тонн в год.

Рис. 15-1. «Пять китов» современной сырьевой базы потиенциального производства биотоплив в России.

В ближайшие годы в России основным источником производства транспортного биоэтанола как в качестве добавок к известным маркам бензина, так и в качестве основного сырья для каталитического синтеза биобензина и биокеросина, включая авиационный биокеросин, будут являться моно– и дисахара, получаемые из целлюлозы при гидролизе древесины.

При условии современного ведения лесопроизводства только из годового объема отходов лесосеки в год можно будет производить этанола и бутанола не менее 200 млн. тонн и соответственно до 100 млн. тонн углеводородов.

Диметиловый эфир. В России создана промышленная технология производства ДИМЕТИЛОВОГО ЭФИРА и фирма KAMAZ модернизирует двигатели, работающие на этом топливе.,

Биодизельное топливо. В России создаются региональные программы развития биодизельного топлива, например Алтайская краевая целевая программа «Рапс – биодизель». В Липецкой области создана Ассоциация Производителей Рапсового Масла.

Планируется строительство заводов по производству биодизеля в: Липецкой области, Татарстане, Алтайском крае, Ростовской области, Волгоградской области, Орловской области, Краснодарском крае, Омской области.

ОАО «РЖД» в 2006–2007 годах провела испытания биодизеля из рапсового масла на тепловозах депо Воронеж-Курский Юго-Восточной железной дороги. Представители РЖД заявили о готовности использовать биодизель в промышленных масштабах на своих тепловозах [15-1].

Синтез – газ. В предыдущих главах было отмечено, что в настоящее время для промышленного производства моторных биотоплив в качестве базового промежуточного соединения при переработке лигноцеллюлозных материалов используется термохимическая технология газификации с получением синтез-газа.

Син-газ (синтез-газ) или более распространенный термин в России (ранее в СССР) «ГЕНЕРАТОРНЫЙ ГАЗ», получаемый при газификации древесины и любых лигноцеллюлозных материалов в качестве моторного топлива для ДВС использовался в России в конце тридцатых годов ХХ века, и особенно заметную роль технологии и оборудование газификации твёрдых топлив для получения синтез-газа в качестве моторного топлива. Сыграли и во время Великой Отечественной войны.

Всего в 40-х и 50-х годах прошлого века в СССР одновременно эксплуатировалось более 200 тысяч стационарных и передвижных машин с газогенераторными установками, что позволило стране сэкономить миллионы тонн нефти.

Современные технологии, как показано выше, позволяют получать из синтез-газа более эффективные моторные топлива.

Биогаз. В России (ранее в СССР) с начала 80-х годов ведущее место в проблеме использования биомассы для целей энергетики, помимо газификации древесины и лигноцеллюлозных материалов, занимали разработка и создание биогазовых технологий и оборудования (соответствующие решения Правительства) по производству биогаза, тепловой и электрической энергии из органических отходов сельскохозяйственного производства и пищевой и легкой промышленности, стоков и твердых бытовых отходов городов.

Потенциальный объем ежегодно производимого биогаза может составить 80 млрд. куб. м, что эквивалентно 62 млн. тонн нефтяного эквивалента. 2 куб. м биогаза в сжатом состоянии замещают 1 литр бензина. 80 млрд. м³ могут заменить до 40 млн. м³ бензина, что с лихвой покрывает ежегодные расходы российского автотранспорта.

В 2012 – 2013 годах планировалось ввести в эксплуатацию более 50 биогазовых электростанций в 27 регионах России. Установленная мощность каждой станций составит от 350 кВт до 10 МВт. Суммарная мощность станций превысит 120 МВт… Реализацией данного проекта занимаются ГК «Корпорация «Газ-ЭнергоСтрой» и Корпорация «Био-ГазЭнергоСтрой».

Потенциальные возможности производства углеводородного моторного и авиационного биотоплива из биомассы в России.

Объем производства авиационного керосина в России в 2009 году составил 8,5 млн тонн, максимум был достигнут в 2008 году – 9,4 млн тонн. [15-1].

На долю России приходится 22 % мировых лесных ресурсов -45 % всей территории страны. Запасы древесины – 82 млрд кубометров, что превосходит суммарные запасы США и Канады в 3,5 раза.

В западной зоне (европейский север) сосредоточено 30 % площади, покрытой лесом. В восточной зоне (Северный Урал, Западная и Восточная Сибирь, Дальний Восток) – 70 % территории покрыто лесом.

Объем ежегодной Российской Лесосеки 700 млн. куб. м (350 млн. т/год), или 1/117 от общих запасов древесины.

Разработки российских ученых из Института нефтехимического синтеза им. А.В.Топчиева РАН, Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, Института химии природного органического сырья СО РАН, г. Красноярск, открывают широкие перспективы производства моторных биотоплив из древесины.

Ежегодные отходы лесопроизводства и деревообработки могут составлять до 245 млн. т/год. Слабокислотный гидролиз может давать в год до 122.5 млн. тонн целлюлозы, из которой можно получить до 59.9 млн. куб. м биоэтанола или до 85.9 млн. тонн углеводородного масла (сырья для производства моторных топлив при крекинге). Из биоэтанола при каталитическом синтезе можно получить до 30 млн. тонн алкановой фракции (С6 – С15) [15-1].

При использовании «син-газовой» технологии из 245 млн. тонн отходов лесопроизводства и деревообработки можно в год производить до 147 млн. тонн СИН-ГАЗА, из которого каталитическим синтезом получают до 113 млн. тонн/год керосиновой фракции (С9 – С16), или методами биотехнологии до 64.3 млн. куб. год биоэтанола, из которого катализом производят до 32 млн. тонн алкановой фракции (С6 – С15).

Большие перспективы для России в плане производства моторных углеводородов открываются при возобновлении добычи торфа и его переработке.

Промышленные запасы торфа в России составляют до 30.8 млрд. тонн. При условии его добычи в объеме до 100 млн. тонн/год из него можно получить до 60 млн. тонн/год СИНТЕЗ-ГАЗА, из которого можно получить до 30 млн. тонн биоэтанола, в свою очередь, являющегося сырьем для производства алкановой фракции (С6 – С15) в объеме 27 млн. тонн/год. Либо из СИНТЕЗ-ГАЗА посредством каталитического синтеза можно получить до 46 млн. тонн/год керосиновой фракции (С9 – С16).

По мнению известного российского ученого, академика РАН, директора Института катализа им. Г.К. Борескова СО РАН В.Н. Пармона будущее производство российского моторного топлива должно быть неразрывно связано с лигноцеллюлозой – массового отхода лесопроизводства и деревообработки. [15-1].

НУЖНА ЛИ РОССИИ ПРОМЫШЛЕННАЯ БИОЭНЕРГЕТИКА?

В 2012 году Евросоюз ввел торговлю квотами на парниковые газы, согласно которой перевозчикам придется платить за процент выбросов. Для начала плата составила 16 евро/т (равняется 2–3% стоимости 1 т керосина).

Уже к 2050 году 1 т выбросов будет стоить как 1 т керосина. При использовании биотоплива выделяется меньше CO₂, к тому же, его применение освобождает перевозчиков от платы за выбросы. В частности, Lufthansa собирается только за время эксперимента сократить выбросы на 1 500 т.

Исходя из вышесказанного, если российская высокоскоростная гражданская авиация не желает потерять мировой рынок авиаперевозок, она должна в ближайшие годы перейти на авиационное биотопливо.

Россия обладает современными промышленными технологиями производства моторных биотоплив, включая биобензин, биодизель, авиационный биокеросин, из лигноцеллюлозного материала. Страна может обеспечить в этих топливах не только собственные потребности, но и экспортировать.[15-3]

В мае 2012 г. МЭА опубликовало доклад "Золотые правила золотого века газа", в котором предсказало, что Россия уступит США положение лидера по добыче газа. Согласно прогнозу МЭА, в России в 2035 г. будет добыто 784 млрд куб. м газа, а в США – 821 млрд куб. м. Третьим по значимости производителем газа станет Китай, где добыча голубого топлива в ближайшую четверть века вырастет почти в пять раз.

Одновременно с этим США, по прогнозам МЭА, станут одним из крупнейших экспортеров сжиженного газа. А вот доля России и стран Ближнего Востока в мировой газовой торговле упадет с 45 % в 2010 г. до 35 % в 2035 г.

Нужна ли России дорогая рублевая нефть? К вопросу о богатстве и бедности России.

Мировых запасов нефти хватает не более чем на два столетия и через 40 лет она просто исчезнет. Однако, чем меньше нефти в недрах, тем острее борьба за нее

Запасы нефти, 114008.3 млн.т.; Запасы газа, 75472.9 млрд. м 3; Добыча нефти, 2440.8 млн.т.;Добыча газа, 1416.4 млрд. м³ Без учета открытых в начале 21 века больших запасов нефти [15-4].

Сегодня мировое потребление нефти составляет 11.0 миллионов т в день, тогда как общемировые доказанные разведанные запасы нефти оцениваются в 162 млрд. т. При современном уровне потребления нефти хватит не более чем на 40 лет. К 2025 году ожидается рост потребления нефти еще на 4.77 миллионов т в день (на 42 %), ее запасы иссякнут раньше… А наличие, например, в Иране нефтяных запасов на 89 лет или в Казахстане на 83 года делает данные страны потенциальными объектами агрессии.[15-4].

15.2. Существует ли альтернатива нефти?

Обязательно ли продолжать добывать нефть с целью производства, в частности, топочного мазута или продукции нефтехимии? Нет, поскольку здесь имеется реальная альтернатива – газ (и не только газ, автор). Заметим, что в России находится свыше 30 % мировых запасов газа. Уровень мировых запасов в 30 % является минимально необходимым для реализации собственной стратегии страны в этой области, что принципиально мы не можем сделать в нефтянке при уровне запасов в 10 %. А собственная стратегия в газовой отрасли дает шанс найти современную технологическую альтернативу использованию нефти, а затем и газа.

Однако, совершенно иначе обстоит дело с основными продуктами нефтепереработки. Здесь недостаточно найти заменитель самим нефтепродуктам в виде альтернативного топлива из возобновляемых источников сырья, необходимо еще разработать и широко внедрить альтернативные двигатели – двигатели принципиально нового типа. [15-4].

Ведь помимо проблемы промышленного отставания реальность угрозы скорого исчерпания нефтяных запасов определяет очевидную необходимость в кратчайшие сроки разработать и перевести промышленность и все народное хозяйство на двигатели, работающие на принципиально иных видах топлива, производимого из возобновляемых источников сырья… Очевидно, сам характер промышленной конкуренции в 21 веке будет определять водородный двигатель и управляющая им микроэлектроника, и только затем – прочие технологии и ресурсы. Конкурентоспособность страны в значительной мере будет определяться конку рентоспособностью ее водородной, атомной и прочей альтернативной энергетики, машиностроения и микроэлектроники. [15-4].

Задача России снизить до минимума текущее потребление собственной нефти, а доход от извлекаемых сверх этого запасов направить исключительно на создание современной альтернативы двигателю внутреннего сгорания и на проведение на его основе масштабной модернизации всей российской промышленности, гарантируя соблюдение естественных прав человека в обеспечении пищей, жилищем, теплом, одеждой, сохранении здоровья, обеспечения безопасности и получении доступного образования. Сегодня у нас еще есть необходимое время для создания технологий будущего прорыва. [15-4].

В свете изложенных выше оценок проф. М.Мусина о современном состоянии нефте-газовой отрасли России большой интерес представлют предложения Круглого стола «Развитие топливно-энергетического комплекса как условие эффективного развития Востока России» «Дальневосточного международного экономического форума» 2008 г. о потенциальной роли биомассы в энергетике России [15-5].

1. Биомасса является традиционным энергоносителем. Главные его преимущества:

1) возобновляемость,

2) нейтральность по отношению к эмиссии парниковых газов,

3) относительная простота добычи и использования.

2. По объему энергетического потребления биомассы Россия существенно отстает от многих развитых стран мира.

3. Использование биомассы включено в энергетическую статистику во многих странах мира. Данные и прогнозы демонстрируют непрерывное увеличение объемов ее энергетического применения. При этом выделяются три основные группы энергетических ресурсов, основанных на углеводородах растительного или промышленного происхождения: древесная биомасса (дрова, отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности, древесные пеллеты и брикеты, черный щелок, генераторный газ, древесный уголь), отходы сельскохозяйственного производства растительного и животного происхождения, в том числе и биогаз, жидкие и твердые муниципальные отходы), а также жидкое биотопливо – биоэтанол, биодизель, ДМЭ, биокеросин или Био-jet.

4. Россия обладает значительным потенциалом для получения энергии из древесной биомассы

5. Отходы (муниципальные и сельскохозяйственные) в мире все шире вовлекаются в энергетику. В основном за счет их сжигания, газификации, получения свалочного газа и биогаза. Помимо энергетических решаются и экологические задачи.

Бесспорно, интерес может представлять биотопливо второго поколения, вырабатываемое из растительных отходов.

Следовательно, при окончательном определении места моторного биотоплива в энергетической стратегии России полезно оценить его необходимость для целей мобилизационной подготовки и создания чрезвычайных резервов.

Второй аргумент в пользу биотоплива – необходимость улучшения качества бензина. Для повышения октанового числа и уменьшения вредных для окружающей среды выбросов в бензин добавляют оксигенаты, в качестве которых, в частности, используют этанол, этилтретбутиловый эфир, получаемые из биомассы. При комплексной переработке биомассы растительного и животного происхождения могут производиться и перечисленные выше важные для повышения качества моторного топлива компоненты.

6. Экономическая эффективность комплексной переработки биомассы выше всего в агропроизводственных биокластерах.

15.3. Лесная древесина – основное сырье для промышленного производства биоуглеводородов в России

Леса – основной тип растительности России, они занимают 45 % ее территории.

Россия обладает самыми большими в мире запасами леса. На 1993 г. площадь лесной части лесного фонда составляла 886.5 млн. га, а общий запас древесины – 80.7 млрд. м³, что составляет соответственно 21.7 и 25.9 % мировых запасов. Превышение второй цифры над первой говорит о том, что Россия располагает более зрелыми и более продуктивными лесами, чем остальная планета в целом.

Рис. 15-2. Карта распределения лесов в % от общей площади земель Российских регионов.

Рис. 15-3. Карта распределения запасов древесины на 1 га лесов (куб. м) по регионам России.

Леса играют огромную роль в газовом балансе атмосферы и регулировании планетарного климата Земли. Общий баланс для лесов России, составил для углекислого газа 1789064.8 тыс. тонн, а для кислорода – 1299019.9 тыс тонн. Ежегодно в лесах России депонируется 600 млн. тонн углерода. Эти гигантские объемы миграции газов существенно стабилизируют газовый состав и климат планеты.

Основные запасы лесов России концентрируются в Сибири и на Дальнем Востоке, а также на Европейском севере. Максимальные проценты лесопокрытой площади отмечаются в Иркутской области и Приморском крае, несколько ниже они на юге Хабаровского края, юге Якутии, в приенисейской части Красноярского края и в республике Коми, Вологодской Костромской и Пермской областях. Однако лесистость совпадает с высокими запасами древесины лишь в Приморском крае и, в меньшей степени, на юге Красноярского края В других регионах, где произрастают наиболее продуктивные леса (на Кавказе, Алтае, Европейском центре) лесистость заметно снижена, причем в значительной степени благодаря деятельности человека. [15-6].

Рис. 15-4. Карта запасов лесной древесины по Федеральным округам Российской Федерации.

Министр экономического развития Андрей Белоусов предупредил, что на структурные реформы в этой сфере у России остается «три, четыре, максимум пять лет». После этого «окно возможностей» закроется: начнется перестройка мирового энергетического баланса, которая может привести к снижению мировых цен на нефть на 20–30 %, и тогда российскую экономику ждет как минимум стагнация. [15-7].

Рис. 15-5. Схема перспективного использования отходов лесопроизодства для получения биотоплив в России.

Рис. 15-6. Схема использования древесной целлюлозы в биотехнологии и биоэнергетике.

ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС [15-8]

Площадь лесного фонда РФ составляет 1181 млн. га. На ценные хвойные насаждения приходится 72 %, площади, мягколиственными породами занято 16 %, твердолиственными – 2,5 %.

Ежегодный прирост леса в России составляет более 800 млн. куб. м, а установленная расчетная лесосека, то есть количество леса, которое может быть вырублено без ущерба для экологии, – 538,4 млн. куб. м. Сейчас она используется только на 18 %. [15-8].

России принадлежит первое место по лесопокрытой площади, составляющей более 750 млн. га и превосходящей лесопокрытую площадь таких крупных лесных стран мира, как Канада, США, Швеция, Норвегия и Финляндия вместе взятые. В лесах России сосредоточено свыше половины мировых запасов ценнейших хвойных пород. Общие промышленные запасы древесины достигают 30 млрд. м³ – это более чем в три раза превосходит запасы США и Канады.

Спелые и перестойные леса занимают в настоящее время более б5 % всей лесокрытой площади и свыше 95 % их сосредоточено в Сибири и на Дальнем Востоке. Наибольшее количество древесины в России дают сосна, ель, лиственница. Древесина хвойных пород используется в значительной степени для строительства и в целлюлознобумажной промышленности.

Наиболее устойчивым спросом пользуются твердолиственные и хвойные породы (дуб, сосна). Запасов леса хвойных пород в России в 1,7 раза больше, чем в промышленных странах Мира вместе взятых, а истощенность лесов в 2 – 3 раза меньше, чем в США, Австралии, Канаде и других экспортерах древесины.

Рис. 15-8. Механизированная заготовка древесин.

В России не вырубается и половины той нормы, что допускается по лесоводственным требованиям. [15-9]. Доля хвойных пород в фактической рубке древесины составляет до 70.

ЛЕСОПРОМЫШЛЕННЫЙ КОМПЛЕКС РОССИИ: НОВЫЕ ГОРИЗОНТЫ [15–10].

ЛПК России обеспечивает 1,2 % величины годового валового внутреннего продукта (ВВП) страны, 4 % величины её годового объёма выпуска промышленной продукции, переработка древесины 4 % величины годовой валютной выручки от экспорта. В 2005 г. показатель ускорения роста объёма производства в ЛПК России составил 4,2 %/год, что в 1,05 раза больше 4,0 %/год – величины того же показателя российской промышленности в целом в том же году… Россия занимает прочные позиции в производстве круглых лесоматериалов и пиломатериалов (эта доля России составляет от переработки древесины 5 %). Россия входит в число мировых лидеров в области производства этой продукции: она обеспечивает переработку древесины 33 % величины мирового годового объёма экспорта круглых лесоматериалов и почти 10 % величины того же показателя в отношении пиломатериалов.

Россия значительно отстаёт от стран с развитым ЛПК по масштабу глубокой переработки древесины: мировая целлюлознобумажная промышленность обеспечивает переработка древесины 60 % величины мировой годовой валютной выручки от экспорта лесоматериалов, а российская только 28 % величины российской выручки того же наименования. Российское производство круглых лесоматериалов обеспечивает 35,4 % величины годового объёма "экспорта лесопродукции из России (в 2004 г. последняя величина составила 7,2 млрд. долл. США (USD), а в 2005 г. – 8,5 млрд. USD.

Состояние и развитие лесопромышленного комплекса России. Лесные ресурсы России [15–11].

Лес без всяких преувеличений – «зелёное золото» России.

В настоящее время всё более актуальной становится проблема рационального использования лесных ресурсов в их первозданном виде.

Лесной комплекс России по силам играть значительно более активную роль в экономике.

Однако, для того, чтобы лесные богатства России эффективно работали в интересах экономики нужно создать экономически и энергетически эффективную лесовоспроизводящую, заготавливающую и перерабатывающую отрасль.

Во-первых, для обеспечения среднегодового роста отрасли на уровне 7,5 % (что вдвое выше, чем среднемировые темпы развития) капиталовложения в ЛПК должны составлять не менее 2 млрд. долл. ежегодно. Такие деньги лесная промышленность в обозримом будущем привлечь не в состоянии. Однако даже если предположить невозможное, то для достижения "целевого" объема продаж в 100 млрд долл. отрасли и при этих условиях потребуется более 30 лет.

Во-вторых, несмотря на кажущуюся доступность леса в России, его промышленное освоение далеко не всегда целесообразно с экономической точки зрения. Главные запасы древесины находятся за Уралом, где лесоперерабатывающая промышленность за исключением единичных регионов развита довольно слабо.

Ряд экспертов с большим скепсисом оценивают потенциальные вклад ЛПК в экономику и ТЭК России в ближайшие годы.!!! (ПОЧЕМУ?) Но радикальные предложения, которые излагаются российскими биоэнергетиками, основаны на огромном промышленном опыте таких стран, как Швеция, Финляндия, Канада и др.(ПАНЦХАВА Е.С. 2014 г.)

Безусловно, нужны инвеститции-большие инвестиции, нужно создание инженерной инфроструктуры, нужно время, и проблемы российской и мировой современной энергетики заставят их решать.

Для этого нужна государственная программа «Лесная политика России», тесно сопрягающаяся с другими отраслями российской экономики.

Лесная политика – это комплекс действий, направленных на обеспечение охраны, воспроизводства и эффективного, сбалансированного использования всех ресурсов, полезных свойств и иных ценностей леса, необходимых цивилизации в настоящее время и в будущем. Необходимым условием ее успешной реализации является наличие системы управления лесами и лесным сектором экономики на международном и национальном уровнях. Для каждого уровня характерны специфические цели и инструменты, используемые для их достижения. Цели международной лесной политики глобальны, для их достижения требуются согласованные усилия многих государств. [15–11].

Главные из них:

• способствовать сохранению и восстановлению лесных ресурсов земли в количественном и качественном отношении с целью предотвращения климатических бедствий и сохранения биоразнообразия планеты;

• обеспечить условия для экологически и экономически эффективного перераспределения лесных ресурсов между лесными и малолесными странами;

• содействовать интеграции государств, с целью согласованного решения крупных региональных проблем, связанных с лесами.

Цели лесной политики национального уровня более традиционны и более прагматичны. В наиболее общем виде они сводятся к обеспечению многоцелевого, непрерывного и неистощительного использования ресурсов и полезных свойств леса. [15–11].

Устойчивость ведения лесного хозяйства и работы лесной промышленности должна обеспечиваться единым федеральным законом о лесной политике. Такой федеральный закон должен стать венцом всего лесного законодательства, в рамках которого оно должно формироваться с учетом норм международного права. [15–11].

На территории Северо-Западного Федерального Округа сосредоточено более половины лесных ресурсов европейской части России и расположено более 30 % эксплуатируемых лесных ресурсов страны. По объему производства продукции из леса регион занимает ведущее место в России. Он является главным экспортером лесопродукции. [15–12].

В целом по Северо-западу использование лесных ресурсов может быть увеличено вдвое, а уровень их переработки – многократно.

В последние годы стала очевидной необходимость углубления переработки заготавливаемой древесины, максимально возможного использования низкокачественной древесины и разнообразных древесных отходов.

Низкая степень освоения лесного фонда являются причиной заболачивания почв и ухудшения качества леса, в частности, образования прикорневой губки. Пораженная губкой древесина может быть использована только на дрова. Вследствие этого около 3–4% объема годовой заготовки (в натуральном выражении это составляет только по Ленинградской области около 240 тыс. м³ ежегодно) приходится на дровяную древесину, которая пользуется крайне ограниченным спросом. Но такая древесина имеет значительную калорийность. Ее энергетическая ценность составляет около 2.9 млн. Гкал (12.15 млн. ГДж), что достаточно для работы более 500 котлов тепловой мощностью по 1.2 МВт (котельная, оснащенная одним таким котлом, способна обогревать 100-120-квартирный дом). Отходы лесоперерабатывающих предприятий (кора, опилки и др.), объемы которых также достигают в Ленинградской области 250–300 тыс. м³ ежегодно, переработанные должным образом, могут обеспечить топливом еще около 120 котлов. При полном освоении расчетной лесосеки приведенные показатели, по крайней мере, удвоятся. [15–12].

Такой объем древесных отходов (опилки, кора, шлифовальная пыль, пораженная гнилью и другими пороками древесина и т. д.), образующихся на деревообрабатывающих и лесозаготовительных предприятиях, не может быть использован в производстве или из-за своих свойств, или из-за чрезмерной дороговизны транспортирования к месту переработки.

В таких случаях может оказаться целесообразным сжигание отходов в топках сушилок, паровых и водогрейных котлов, что обеспечит существенную экономию энергоносителей (сжигание 5 т древесных отходов позволяет сберечь 1 т мазута или 1000 м³ газа). Однако паровые и водогрейные котлы, оборудованные топками для сжигания высоковлажных древесных отходов, в настоящее время в России не выпускаются.

15.4. Биотопливо из древесины

Известен способ термической переработки биомассы в газогенераторе с получением газообразного топлива, практически свободного от активных примесей (смол и кислот). Оно может использоваться без сложной дополнительной очистки в топках паровых и водогрейных котлов, в различных технологических установках для нагрева и сушки, в стационарных двигателях внутреннего сгорания с получением электроэнергии, в коммунально-бытовом хозяйстве для нагрева воды и обогрева помещений. Исходным сырьем для газогенератора могут быть любые углеродсодержащие отходы: древесина, щепа, кора, сельскохозяйственные отходы, коммунальные и бытовые отходы. Получаемый газ имеет высокую калорийность (8.5 м³ генераторного газа эквивалентно 1 кг мазута). По сравнению с прямым сжиганием твердого топлива использование генераторного газа является в экологическом отношении значительно более чистым процессом. Однако сложность заключается в том, что для широкого внедрения такого эффективного метода утилизации необходимо решение целого ряда проблем: создание модульных мобильных газогенераторных установок малой производительности (так как транспортирование древесных отходов с лесосек, отдельно стоящих складов и скоплений биомассы затруднительно и требует специальной подготовки по величине куска и влажности), транспортирование полученного при переработке модульными установками газа или электроэнергии [15–12]. Наряду с прямым сжиганием и газификацией биомассы может быть использован пиролиз. Первичными продуктами пиролиза могут быть жидкость, твердое углистое вещество и газы в зависимости от вида и параметров процесса, вторичными – энергия, топливо и химические продукты.

Недостаток метода заключается в необходимости стационарного базирования установки, специальной подготовки пиротоплива и трудностях транспортирования получаемых пиропродуктов. В то же время пиролиз может быть использован как конечный этап переработки древесных и растительных отходов, подготовленных методом окускования или измельчен.

БИОТЕХНОЛОГИИ.

Особый интерес представляет биоконверсия непищевого целлюлозного сырья, которая предусматривает микробиологическую и ферментативную переработку его в ценные биопрепараты и технически важные продукты и развивается в настоящее время в двух основных направлениях: твердофазная ферментация сырья (ТФФ) и ферментативный гидролиз целлюлозы (ФГЦ). [15–12].

ТФФ включает выращивание дереворазрушающих грибков на целлюлозных отходах (опилки, стружки, кора), в результате чего получаются кормовые добавки для животноводства, обогащенные грибным белком, витаминами, жирами и легкоусваиваемыми углеводами (в первую очередь, глюкозой) – продуктами деструкции целлюлозы и сопутствующих полисахаридов.

ФГЦ достигается культивированием на отходах целлюлознобумажного производства микроорганизмов – продуцентов ферментов-целлюлаз с целью получения глюкозы – ценного продукта, потребность в котором до сих пор не удовлетворена в нашей стране.

Результаты, полученные при изучении биоконверсии целлюлозного сырья, открывают перспективу для создания малоотходных и экологически выгодных производств биопрепаратов и кормовых добавок на основе продуктов переработки древесины. По мнению специалистов института физиологии и биологии Коми Научного Центра УрО РАН, небольшие предприятия такого типа могут быть созданы в районах Северо-Западного региона, связанных с переработкой древесины и сталкивающихся с необходимостью утилизации отходов.

Несмотря на наличие перспективных научных и технических разработок по глубокой переработке древесных отходов, анализ современного состояния промышленности и экономики России позволяет определить в качестве основного метод окускования древесных отходов в экструдерных брикетных прессах и получения высокоэффективного топлива для коммунально-бытового сектора страны. [15–12].

В России при годовой потребности жилищно-коммунального сектора в окускованном топливе в объеме 40–50 млн. т сохранится устойчивый дефицит примерно в 10 млн. т. Покрытие этого дефицита без существенного увеличения уровня добычи твердых горючих ископаемых моет быть обеспечено только за счет брикетирования (таблетирования и производства пеллет) вторичного углеродсодержащего сырья.

Использование этого способа позволяет производить топливные брикеты с удельными затратами электроэнергии на формование не более 1.5–2 квт ч/т. При этом из технологической цепочки исключается процесс подготовки брикетной смеси по влажности (сушки).

Теплотехнические показатели бытовых печей, работающих на брикетах, изготовленных из угольной мелочи с низшей удельной теплотой сгорания по рабочему топливу около 3000 ккал/кг, соответствуют нормативным (теплота сгорания может быть увеличена путем добавления в смесь отработанного масла, донного шлама, нефтяного пека или кокса с удельной теплотой сгорания 7800 ккал/кг). При использовании брикетов коэффициент полезного действия бытовой варочной печи достигает 76 % котлов типа ДКВР 80–85 %. Топливная составляющая выработки одной Гкал теплоэнергии с помощью топливных брикетов из древесных отходов, при среднем КПД котла 0.82, равна 219.55 руб./Гкал. Для сравнения – топливная составляющая выработки тепловой энергии в котельных на мазуте и интинском угле по данным специалистов равна, соответственно, 271 руб./Гкал и 263 руб./Гкал. Совершенно очевидно, что использование брикетов из древесных отходов экономически оправдано. При этом древесная щепа оказывается эффективней многобалластных интинских углей и мазутного топлива. [15–12].

15.5. Энергетическое использование древесных отходов как основа безотходности лесозаготовительного производства

В последнее десятилетие ежегодный объем заготовки и вывозки древесины в лесах государственного значения, находящихся в ведении органов лесного хозяйства, составлял 400… 411 млн. м³. [15–13].

Лесопромышленный комплекс сопоставим по сырьевым ресурсам и числу занятых с нефтегазовой промышленностью. Однако его реальный вклад в экономическое развитие страны совершенно не адекватен потенциалу.[15–14].

Лесосечные отходы – сучья, ветви, вершины имеют сложную и разнообразную форму и их измельчение в рубительных машинах неизбежно сопряжено с получением, с одной стороны, мелочи, а с другой – крупных частиц, которые отсортировываются в процессе производства технологической щепы, образуя так называемые вторичные отходы. При использовании в качестве сырья для производства щепы отходов лесозаготовок таких вторичных отходов образуется 20.. 30 % от объема перерабатываемого сырья.

Одним из направлений использования древесных отходов является гидролиз, в результате которого получается ряд продуктов, имеющих неограниченный сбыт в народном хозяйстве страны. Для гидролиза используются в основном мягкие отходы преимущественно хвойных пород. Опилки, стружки и щепа допускаются для применения в гидролизном производстве, если давность их хранения в открытом виде не более 4 мес. Единственным достаточно универсальным видом полезного применения древесных отходов даже самого низкого качества, позволяющим организовать лесозаготовительное производство без каких-либо отходов, является использование отходов лесозаготовок в энергетических целях для получения тепловой энергии, необходимой для производственных и бытовых нужд самих лесопромышленных предприятий.

Основным направлением энергетического использования древесных отходов в лесопромышленных предприятиях надо считать прямое их сжигание в топках паровых и водогрейных котлов. Это направление получило повсеместное распространение как в нашей стране, так и в зарубежных странах.[15–13].

ЛЕС И ЧЕЛОВЕК [15–15].

По официальным данным ежегодно леса России вырубаются на площади 2 – 2,5 млн. га. По другим данным, эта площадь составляет 4 – 5 млн. га. В среднем столько же леса страдает от пожаров [15–15].

Важнейшие экологические функции лесов.

1 Углеродная функция лесов

Основные надежды по выводу избытка углерода из атмосферы и тем самым решению проблемы парникового эффекта люди связывают с лесными экосистемами. Известно, что при образовании 1 т (абсолютно сухой вес) растительной продукции связывается 1,5 – 1,8 т углекислого газа и высвобождается 1,1 – 1,3 т кислорода. В расчете на 1 га среднепродуктивного леса в таком случае связывается за год 6 – 7 т углекислого газа и выделяется 5 – 6 т кислорода [15–15]. Концентрация больших масс углерода в лесах связана с большой биомассой древостоев. Именно благодаря этому только лесные экосистемы способны на длительное время выводить углерод из атмосферы и тем самым как бы давать людям время и шанс для поиска путей решения проблемы парникового эффекта. Из всей массы углерода, сконцентрированного в растениях земного шара, 92 % содержится в лесных экосистемах. В растениях всех других экосистем суши аккумулировано только около 7 % углерода, а в растительных организмах океана – меньше 1 %. Еще большая масса углерода законсервирована в мертвом органическом веществе лесов (детрите), а так же в гумусе почв и торфяных отложениях лесных болот.

В отличии от каменного угля и нефти древесное сырье при сжигании не образует сернистых соединений, загрязняющих окружающую среду. [15–15].

15.6. Технологии и оборудование лигноцеллюлозной биоэнергетики

Одним из приоритетных и наименее затратных направлений развития лесопромышленного комплекса России и его экспорта могло бы стать развитие биоэнергетики на базе производства и потребления древесных гранул (пеллетов).

Ресурсы древесного сырья и отходов для использования в качестве топлива в целом по стране составляют не менее 90 млн. куб. м. [15–16].

По прогнозам экспертов, к 2020 году ежегодная потребность европейских стран в таком энергетическом топливе, как древесные гранулы (пеллеты), будет колебаться в диапазоне 80-135 млн. т. Сегодня Европа является главным импортером пеллетов в мире. Потребление гранул к 2020 г. для выработки электроэнергии в индустриальном секторе может составить 60 %, в секторе централизованного отопления жилья – 25 % и в частном секторе – 15 %.

В перспективе Российская Федерация может стать одним из наиболее конкурентоспособных экспортеров данного вида биотоплива.

Положительным фактором в этом отношении является то, что в ближайшие годы серьезным импортером топливных гранул может стать Китай. В этой связи необходима разработка программы развития биоэнергетики в рамках закона об энергоэффективности. [15–16].

СЫРЬЕ

Основными сырьевыми составляющими древесины являются клетчатка (полисахарид) и лигнин (полимерное соединение фенольной природы).

Молекулярный вес клетчатки велик и достигает нескольких миллионов. Как и у крахмала, молекулы клетчатки состоят из звеньев С₆Н₁₀О₅. По своему строению клетчатка, однако, отличается от крахмала тем, что структура молекул клетчатки имеет не разветвлённую, а нитевидную структуру, вследствие чего клетчатка может образовывать волокна. [15–17].

ЦЕЛЛЮЛОЗА [15–18].

Целлюлоза (фр. cellulose от лат. cellula – «клетка, клетушка») – углевод, полимер с формулой (C₆H₁₀O₅)_n^[1]. белое твёрдое вещество, нерастворимое в воде, молекула имеет линейное (полимерное) строение, структурная единица – остаток ?-глюкозы [С₆Н₇О₂(ОН)₃]_n. Полисахарид, главная составная часть клеточных оболочек всех высших растений.

Рис. 15-9. Химическая формула целлюлозы.

Химические свойства и применение клетчатки. На клетчатку при обычной температуре не действуют разбавленные кислоты и щёлочи, но действуют концентрированные кислоты.

При нагревании с разбавленными кислотами клетчатка, как и крахмал, подвергается гидролизу, превращаясь в конечном счёте в глюкозу:

(С₆Н₁₀O₅)_n + nH₂O ==> nC₆H₁₂O₆ [19] Продукты переработки целлюлозы/клетчатки методом гидролиза находят разнообразное применение [15–19].

Рис. 15–10. Структура и переработка целлюлозы (клетчатки) методом гидролиза.

Производство гидролизного спирта. Так как клетчатка при гидролизе даёт глюкозу, которую можно превратить в этиловый спирт (этанол) или бутиловый спирт (бутанол). [15–19]. Следует отметить, что производство спирта из древесины путем сбраживания всегда является более металлоемким и затратным, чем, например, газификация древесины с последующим каталитическим превращением газа в спирт или бензиновые фракции.

В гидролизном аппарате нагревают с серной кислотой древесные отходы: опилки и щепу.

Из 1 тонны сухой древесины таким способом получают до 200 литров спирта (этанола); т. е. 1 тонна опилок может заменить 1 тонну картофеля или 300 кг зерна в производстве спирта.

Если учесть, что в производстве синтетического каучука и других продуктов потребляется большое количество спирта, то станет понятным, какое огромное значение имеет производство спирта из древесины для сбережения пищевого сырья.

В России получение спирта из древесины осуществляется на ряде гидролизных заводов. Смотри пример получения смесевого бензина Е-85 (85 % этанол + 15 % бензин) на ООО "Кировский БиоХимЗавод". Многотоннажным отходом производства спирта из древесины является лигнин.

В США разработана технология переработки лигнина с использованием никелевого катализатора.

Не менее интересный способ переработки древесины – получение синтетического бензина.[15–19].

Успеха в качественном развитии данного направления удалось добиться ученым Института Нефтехимического Синтеза им. А.В.Топчиева РАН (ИНХС РАН), которые разработали технологию, обеспечивающую получение по максимально простой и экономичной схеме переработки целлюлозы древесины высокооктанового экологически чистого бензина с хорошим выходом конечного продукта, удовлетворяющего перспективным требованиям стандарта Евро-4, которые будут введены в 2005 году.

Рис. 15–11. Технология получения моторных топлив из древесины, (ИНХС РАН).

Из целлюлозы древесины при повышенном давлении получают синтез-газ. Путем конденсации из синтез-газа выделяют и удаляют воду и потом осуществляют газофазный, одностадийный каталитический синтез диметилового эфира. Полученную таким образом газовую смесь под давлением пропускают над модифицированным высококремнистым цеолитом для получения бензина и охлаждают газовый поток для выделения бензина.

Получение синтез-газа из целлюлозы древесины осуществляют различными способами:

1) в процессе парциального окисления углеводородного сырья под давлением, обеспечивающим возможность его каталитической переработки без дополнительного компримирования (сжатия).

2) путем каталитического риформинга углеводородного сырья с водяным паром.

3) путем автотермического риформинга.

Процесс проводят при подаче воздуха, или воздуха, обогащенного кислородом, или чистого кислорода.

4) Были отлажены и другие варианты. При пропускании синтез газа (смеси окиси углерода СО и водорода Н₂) над нагретым до 200 °C катализатором, содержащим восстановленное железо (чистое железо Fe), образуются смеси преимущественно предельных углеводородов (синтетических бензинов).

Сегодня рыночная стоимость бензина составляет около $800 за тонну, а себестоимость производства синтез-бензина, получаемого при газификации, – $210 за тонну. [15–19].

Из целлюлозы древесины можно получить бензиновую фракцию с выходом до 90 %, а выход сухого газа (С1-С3) составлял 8,5 %. По данной технологии получается на порядки меньше экологически вредных выбросов, при этом в составе выбросов отсутствуют такие ядовитые компоненты, как бензол, дурол и изодурол. Эти результаты имеют важное экологическое значение, принимая во внимание тот факт, что тенденции изменения требований к топливу для карбюраторных двигателей характеризуются ограничением допустимого содержания в них ароматических углеводородов. [15–19].

В ИНХС РАН разработана оригинальная технология высокоселективного двухступенчатого получения бензина из синтез-газа СО+Н2 через диметиловый эфир (ДМЭ) без промежуточного выделения ДМЭ, позволяющая осуществлять синтез бензина в проточноциркуляционном режиме работы двухмодульного реакционного узла. Технология производства катализаторов прямого (одностадийного) синтеза ДМЭ из синтез-газа апробирована на опытном заводе НИАП (Новомосковск), технология производства цеолитных (наноструктурных) катализаторов превращения ДМЭ в бензин апробирована на ОАО «Ангарский завод катализаторов и органического синтеза». Технология изготовления бензина из ДМЭ прошла испытания на пилотной установке в Приморском НТЦ РКК «Энергия». При практически количественной конверсии ДМЭ выход бензиновой фракции с октановым числом 90 составляет 70 %. Значимым преимуществом разработанной технологии является ее универсальность по сырью – она одинаково эффективна для всех источников получения синтез-газа (биогаз, попутный нефтяной или природный газ). Катализаторы процесса обладают высокой стабильностью и не теряют активность в течение 6000 часов. Работа защищена патентами РФ и готова к реализации. [15–19].

15.7. Древесная целлюлоза – основное сырье для российской биоэнергетики (моторные и реактивные топлива)

Обзор российского рынка целлюлозы [15–20].

• Объем производства целлюлозы предприятиями отечественной целлюлозно-бумажной промышленности в 2005 году составил по целлюлозе по варке – 5 933,5 тыс. тонн, по товарной целлюлозе – 2 418,7 тыс. тонн. Уровень производства остался практически на уровне 2004 года.

• Для российского ЛПК целлюлоза является одним из основных видов экспортируемой продукции. В мировой целлюлозно-бумажной промышленности Россия занимает девятое место по экспорту целлюлозы.

• В России насчитывается около 40 основных производителей целлюлозы. Семь крупнейших предприятий обеспечивают около 70 % объема производства. Наиболее крупными отечественными производителями целлюлозы являются следующие предприятия (по состоянию на 2003 год, приведены в алфавитном порядке): ОАО «Архангельский ЦБК», ОАО «Котласский ЦБК», ОАО «Монди Бизнес Пейпа Сыктывкарский ЛПК», ОАО «Производственное объединение «Усть-Илимский лесопромышленный комплекс», ОАО «Целлюлозно-картон-ный комбинат».

• В настоящее время российская целлюлозно-бумажная промышленность работает на пределе своих возможностей. К 2004 году большинство целлюлозно-бумажных комбинатов России достигло объемов производства, близких к максимально возможным. Предпринимаемые действия по модернизации основного оборудования и вводу новых производств внутри действующих предприятий в современных условиях не являются достаточными.

• Одной из актуальных проблем для отечественных производителей целлюлозы является рост издержек производства. В то же время ценовая конъюнктура на внешних и внутренних рынках такова, что не позволяет компенсировать увеличение издержек за счет повышения цен. Среди значительной части потребителей из Северной Америки и стран Евросоюза российская целлюлоза воспринимается как преимущественно дешевая продукция невысокого качества.

Производство целлюлозы

Целлюлоза относится к классу высокомолекулярных углеводов. Выделение целлюлозы связано с большими трудностями, так как она очень прочно соединена с некоторыми веществами, находящимися в древесине.

Производство целлюлозы из древесины основано на ее высокой стойкости к определенным химическим соединениям, которые в то же время в известных условиях переводят в раствор менее стойкие вещества, сопровождающие целлюлозу: лигнин, гемицеллюлозы и пр.

В зависимости от применяемых соединений способы получения целлюлозы можно разделить на три основные группы: кислотные, щелочные и комбинированные. В настоящее время разработаны следующие способы: сульфитный, сульфатный, сульфатный с предварительным кислотным или водным гидролизом древесины, сульфитнощелочной, хлорно-щелочной, азотно-щелочной, гидротропный и др.

Основными стадиями технологического процесса любого производства целлюлозы являются: 1) подготовка древесины; 2) приготовление нарочных растворов; 3) варка древесины в варочных котлах и 4) обработка полученной целлюлозы.

Хотя целлюлозу можно получать из любой породы дерева, до сих пор ее вырабатывают преимущественно из древесины малосмолистых пород – ели, пихты, бука, – которые можно перерабатывать любым из применяющихся в промышленности способов варки. Смолистые породы (лиственницу, сосну) перерабатывают обычно щелочными методами.

Для производства целлюлозы употребляют щепу, полученную из древесных стволов, тщательно очищенных от коры и сучков. Щепа через циклон, сортировку и бункер поступает в котел, где варится с раствором бисульфита кальция, магния, натрия или аммония (сульфитный способ), содержащим избыток сернистой кислоты (раствор содержит 3–6% свободного SO₂ и около 2 % SO₂, связанного в виде бисульфита). Варка идет в герметически закрытых металлических котлах (объемом 200–320 кубометров и более), футерованных кислотоупорным материалом, при температуре 135–150 °C и давлении 5–7 атм. Крупную щепу после сортировки направляют на дополнительное измельчение в дезинтегратор. Задача варки заключается в возможно полном извлечении из сырья целлюлозы в неповрежденном виде. Скорость варки и качество получаемой целлюлозы зависят от концентрации варочного раствора, давления, времени, температуры варки, степени провара целлюлозы и других факторов. Общее время варки составляет 6-12 часов.

Продолжительность варки, выход и качество получаемой целлюлозы, удельный расход пара и серы зависят от качества исходного сырья, скорости подъема температуры в котле, давления и состава варочного раствора. Быстрое нагревание, высокая конечная температура, использование раствора с повышенным содержанием SO₂ могут значительно сократить время варки.

Для равномерного нагрева и лучшей пропитки щепы применяют принудительную циркуляцию кислоты в котле во время варки. С этой целью варочная кислота засасывается из котла кислотоупорным насосом, проходит через подогреватель и затем снова нагнетается в котел.

Варка целлюлозы сложный процесс.

После окончания варки давление в котле снижают (сдувкой парогазовой смеси и выпуском образовавшегося раствора, называемого щелоком) до 2–3 ати и содержимое котла удаляют по выдувному трубопроводу большого диаметра в сцежу. На некоторых заводах массу из котла в сцежу вымывают водой.

Сцежа – большой резервуар (объем ее в 1,5–2 раза больше объема котла) из железобетона, облицованный деревянными брусьями, с ложным фильтрующим дном в виде решетки. В сцеже щелок отделяется от целлюлозы, и последняя тщательно промывается сначала слабым щелоком, а затем теплой водой. Потери волокна при этом не превышают 0,5 %.

Промытую целлюлозу разбавляют водой до концентрации 1–1,2 % и перекачивают в очистный цех, где волокно, проходя через сучкоуловитель, песочницу и сортировку, освобождается от сучков, непроварившейся щепы и минеральных загрязнений. Если варка целлюлозы идет в котлах периодического действия, то в очистном цехе вся аппаратура непрерывного действия.

Для отделения от массы сучков применяются плоские вибрирующие и барабанные сучкоуловители. При вращении сетчатого барабана (диаметр отверстий 8-11 миллиметров) со скоростью 20–30 оборотов в минуту волокна целлюлозы с водой проходят через сетку, а сучки и непроварившаяся щепа проходят в заднюю коническую часть барабана, откуда и выводятся. Наиболее распространенный вибрирующий сучкоуловитель имеет сито с отверстиями 6 миллиметров, на которое по желобу поступает масса, разбавленная до концентрации 1 %. Под воздействием интенсивных и частых колебаний (1450 в минуту) волокна быстро проходят в железобетонную ванну через отверстия, а сучки и непроверенные куски, двигаясь по ситу вверх, переваливаются в сборный ящик.

Песочницы изготовляются из дерева или железобетона в виде длинных широких желобов (длина 25–30 м, ширина 1,5 л) с большим количеством поперечных перегородок, наклоненных по ходу движения массы. Если волокно, разбавленное водой до концентрации 0,30-0,35 %, движется спокойно, без завихрений, со скоростью 15–18 метров в минуту, то оно не оседает, а оседают более тяжелые минеральные примеси, задерживаемые перегородками на дне песочницы.

Вместо песочниц применяют вихревые ловушки, в которых для очистки массы используется центробежная сила.

Действие сортировок основано на том, что гибкие целлюлозные волокна, сильно разбавленные водой (до 0,3–0,4 %), под воздействием гидравлического напора, вакуума или центробежной силы проходят через небольшие круглые или щелевые отверстия сит сортировки, а непроверенная щепа, пучки волокон и другие отходы задерживаются.

Для химической переработки и производства белой бумаги целлюлозу подвергают отбелке и облагораживанию.

Основная цель облагораживания – повысить химическую чистоту и однородность целлюлозы. Для этого из нее удаляют остатки лигнина, гемицеллюлоз, золы, смол и улучшают коллоиднохимические и физические свойства этого полуфабриката.

В качестве отбеливающих реагентов применяют: хлор или хлорную воду, растворы гипохлорита кальция Са(ОCI)₂ или натрия

NaCIO4, растворы хлоритов NaClO4 и NaClO4 ЗНО, двуокиси хлора CIO2, перекиси водорода Н₂O₂ и натрия Na₂O.

Облагораживание целлюлозы проводится растворами едкого натра при обычной или высокой температуре. В нервом случае используется 4-10 %-ный раствор NaOH при 20 °C в течение 30 минут, а во втором – 1 %-ный раствор NaOH в течение 3 часов при 100 °C. При этом в раствор переходит большая часть оставшегося лигнина, золы, гемицеллюлоз, смолистых веществ и продуктов распада целлюлозы, и тем самым повышается содержание основного полезного вещества, называемого альфа-целлюлозой, до 95–98 %. Одновременно целлюлоза приобретает такие важные для ее химической переработки качества, как повышенную реакционную способность, необходимую степень полимеризации и более равномерную вязкость.

Далее целлюлоза проходит завершающее сортирование, тщательно промывается водой для удаления хлора и кислых продуктов и поступает в размалывающий аппарат, где частицам целлюлозы сообщается способность сцепляться друг с другом. Затем целлюлозу обезвоживают, снова разбавляют водой, после чего она поступает на пресспат, где отливается в бесконечное полотно, подвергаемое прессованию и сушке до содержания влаги 8-12 %. Далее полотно целлюлозы разрезают на листы (600x800 мм) и упаковывают. Если целлюлозу транспортируют на другие предприятия, то ее размолу не подвергают.

На качество готовой целлюлозы оказывает влияние не только метод производства, но и порода дерева, его возраст, плотность и влажность древесины, наличие в ней гнили, сучков и других пороков.

Применение новой технологии получения целлюлозы, т. е. варки на растворимых (аммонийном и натриевом) и полурастворимых (магниевом) основаниях, позволяет на 10–15 % увеличить производительность завода, повысить выход волокнистых полуфабрикатов и их прочность. Применение растворимых оснований позволяет вести варку в кислой, нейтральной и щелочной средах в несколько ступеней и из различного сырья получать разнообразные марки целлюлоз.

Сульфитная целлюлоза, содержащая небольшое количество лигнина и гемнцеллюлоз, легко отбеливается и облагораживается, широко применяется для химической переработки и в бумажном производстве для изготовления высококачественных видов бумаги и картона. В то же время сульфитный способ производства имеет и ряд недостатков, из которых следует отметить длительное время варки и необходимость кислотоупорной футеровки котлов и кислотостойких трубопроводов.

Сульфатный способ производства заключается в варке щепы со щелочным раствором, в состав которого входят едкий натр NaOH и сернистый натрий Na₂S, потерн этих химикатов восполняются сульфатом натрия Na2SO₄. Варка идет в нефутерованных котлах меньшего объема (до 160 кубометров) при максимальной температуре 165–175 °C и давлении 8– 10 атм. В результате химического взаимодействия едкого натра и сульфида натрия лигнин вместе с частью гемицеллюлоз переходит в раствор, образуя так называемый черный щелок. Длительность варки при этом методе значительно меньше и составляет 3,5–8 часов. Дальнейшая обработка полученной после варки целлюлозы (очистка, от белка) примерно такая же, как и при производстве сульфитной целлюлозы.

Сульфатный способ производства способствовал расширению сырьевой базы промышленности, так как этим способом можно перерабатывать любую древесину, в том числе отходы лесопиления и деревообработки. Хорошо разработанная система регенерации щелока с последующим возвращением его в производство позволила свести до минимума сброс загрязненных вод в водоемы, который сравнительно велик при производстве сульфитной целлюлозы. Кроме того, сульфатная целлюлоза может быть отбелена до высокой степени белизны при одновременном сохранении механической прочности. Бумага из сульфатной целлюлозы является одной из самых прочных.

В то же время сульфатная небеленая целлюлоза более темная и для ее отбелки, которая проводится в несколько ступеней, требуется гораздо больше белящих химических соединений, чем для отбелки сульфитной целлюлозы.

В последние годы главным образом в производстве сульфатной целлюлозы все шире применяется непрерывная варка сырья. Применяемые для этой цели варочные аппараты с непрерывной загрузкой исходного сырья и выгрузкой готовой целлюлозы рассчитаны на выпуск 100–400 тонн целлюлозы в сутки. Варочные аппараты по продолжительности пребывания в них сырья могут быть подразделены на две группы: аппараты, в которых сырье находится до 4 часов, и аппараты для скорой варки (до 1 часа).

Варочный щелок и пар при варке древесной щепы подается при выходе щепы из питателя. Пар поступает в первую и иногда во вторую варочную трубу. Условия варки: давление до 12 атм. температура 170190 °C. Масса из варочного аппарата выводится с помощью разгрузочного устройства в выдувной резервуар.

В зависимости от условий варки при сульфатном методе производства можно получить целлюлозу разного выхода (в процентах по отношению к исходной древесине):

Растворимая…………….30–37

Высокого выхода…………………..55-62

Нормальная………….42–48

Полуцеллюлоза…………………..65-90

Повышенного выхода…. 53-55

Максимальная температура варки для каждого вида целлюлозы устанавливается опытным путем.

Целлюлоза высокого выхода (на 12–14 % больше, чем при варке обычной целлюлозы) производится при сокращенном времени варки и более низкой конечной температуре, при этом лигнин и гемицеллюлозы растворяются варочным раствором в меньшей мере, чем при обычной варке. Расход древесины сокращается примерно на 20 %. Таким образом, для выработки 1 млн. тонн целлюлозы высокого выхода нужно почти на 2 млн. кубометров древесины меньше, чем для получения такого же количества обычной целлюлозы.

Выход полуцеллюлозы на 20–40 % больше выхода обычной сульфатной целлюлозы, так как только около половины лигнина и одной трети гемицеллюлоз удаляются во время варки из древесины. Для производства полуцеллюлозы можно использовать и низкокачественную древесину. Количество расходуемой древесины уменьшается при этом почти на 40 %. Прочность полуцеллюлозы примерно равна прочности хвойной сульфитной целлюлозы, которую она успешно заменяет в производстве бумаги.

При сульфатном способе производства высококачественной целлюлозы, идущей на химическую переработку, древесину перед варкой подвергают гидролизу (пропарке сырья паром, водной варке, варке со слабым раствором сильной кислоты). Во время такой обработки из древесины удаляется большая часть гемицеллюлоз, чем и облегчается последующий процесс обычной сульфатной варки.

Из щелочных способов можно отметить и натронный способ, при котором варочный щелок содержит NaOH, а потери щелочи возмещаются добавкой соды. Выход и прочность изготовляемой этим способом целлюлозы значительно ниже, чем сульфатной, но полуцеллюлозы из лиственных пород древесины, полученные холоднонатронным способом, обладают рядом ценных свойств.

Для получения полуцеллюлозы из лиственных пород и однолетних растений используют также среднюю соль сернистой кислоты (Na2SOa) в присутствии щелочи, называемой буфером (например, №₂СО₃, NaHСО₃, NaOH). Этот способ варки носит название нейтрально-сульфитного. Щелочь при такой варке (в паровой фазе при 160 или 175 °C с предварительной пропиткой при 100 °C) растворяет преимущественно лигнин.

За последние годы внедряются и комбинированные способы производства целлюлозы. Так, при кислотно-щелочном способе древесную щепу обрабатывают в котле последовательно раствором бисульфита натрия в течение 5–6 часов при 150 °C и после удаления образовавшегося щелока– 1–2 часа раствором карбоната натрия при 166 °C.

Применяется также хлорно-щелочной способ. В этом случае солому или стружку (осина – тополь) последовательно обрабатывают щелочью и газообразным хлором. Для удаления продуктов превращения лигнина и других веществ, сопровождающих целлюлозу, массу вновь обрабатывают разбавленным раствором щелочи. Выход целлюлозы по этому способу достигает 38–45 %.

Могут быть применены также азотно-щелочной способ и варка в присутствии гидротропных реагентов. По первому способу растительное сырье нагревают в течение часа с азотной кислотой концентрацией 2–4% и после промывки горячей водой – щелочью примерно такой же концентрации. Выход целлюлозы 40–43 %.

По второму способу варку ведут в присутствии концентрированных (40–50 %-ных) водных растворов органических солей (натриевых солей салициловой кислоты, бензойной кислоты, толуол-сульфокислоты или ксилолсульфокислоты), которые легко переводят лигнин в раствор. Чем выше температура и концентрация соли, тем больше лигнина переходит в раствор. При разбавлении полученного раствора водой большая часть растворенного лигнина выпадает в осадок.

Древесная масса – волокнистый полуфабрикат из древесины с максимально возможным выходом. Такая масса успешно используется в производстве газетной бумаги и картона различных марок. Обычную белую древесную массу получают механическим истиранием хорошо очищенных бревен длиной 125 сантиметров (баланса) в машинах, называемых дефибрерами, на вращающихся цилиндрических камнях с шероховатой поверхностью в присутствии воды. Для древесной массы характерны сравнительно низкая механическая прочность, непрозрачность и пухлость.

Химическую древесную массу получают или из баланса, пропитанного химикатами, истиранием на дефибрерах или из пропитанной щепы путем ее размола на рафинерах различного устройства. Выход массы составляет 85 %. Прочность ее в 2–3 раза выше прочности обычной белой древесной массы. Для получения тонны химической древесной массы необходимо израсходовать всего 2,5–3,0 кубометра древесины (почти всех пород), т. е. в 2 раза меньше, чем при производстве целлюлозы.

Общая структурная схема производства целлюлозы сульфатным способом представлена на рис. 15–15.

Рис. 15–12. Производство сульфитной целлюлозы.

ЛИГНИН [15–21].

Лигнин (от лат. lignum – дерево, древесина) – вещество, характеризующее одеревеневшие стенки растительных клеток. Сложное полимерное соединение, содержащееся в клетках сосудистых растений и некоторых водорослях. Одеревеневшие клеточные оболочки обладают ультраструктурой, которую можно сравнить со структурой железобетона: микрофибриллы целлюлозы по своим свойствам соответствуют арматуре, а лигнин, обладающий высокой прочностью на сжатие, – бетону.

Рис. 15–14. Химическая структура лигнина

Рис. 15–15. Электронная фотография лигнина [15–21].

Рис. 15–16. Внешний вид порошка лигнина.

Рис. 15–17.

Вблизи гидролизных заводов размещаются отвалы лигнина, который можно использовать для производства топливных гранул.

Электростанция на лигнине.

В данной электростанции реализуется технология газификации биосырья. Измельченные и подсушенные отходы древесины, гидролизный лигнин, солома, рисовая и подсолнечная шелуха, стебли хлопчатника и т. п. из бункера подаются в газификационную колонну; полученный синтетический газ охлаждается и очищается от пыли и дегтя и поступает в накопитель. Очистка и охлаждение газа осуществляется при помощи циркулирующей в системе оборотной воды. Охлаждение воды осуществляется в бассейне – охладителе. Полученный горючий синтетический газ направляется в газопоршневую установку (газогенератор) или используется на другие цели. Газификационная установка (электростанция) имеет высокую энергоэффективность. Так на выработку 1 кВт электроэнергии требуется примерно 1,3–1,8 кг рисовой шелухи или соломы или 1,1 – 1,6 опилок или лигнина. [15–22].

Древесина лиственных пород содержит 18–24 % лигнина, хвойных – 27–30 %.

Лигнин не является индивидуальным веществом, а представляет собой смесь ароматических полимеров родственного строения. Мономерные звенья макромолекулы лигнина называют фенил-пропановыми единицами (ФПЕ), поскольку эти структурные единицы являются производными фенилпропана. Хвойный лигнин состоит практически целиком из гваяцилпропановых структурных единиц. В состав лиственного лигнина кроме гваяцилпропановых единиц входят в большом количестве сирингилпропановые единицы. В состав некоторых лигнинов, главным образом травянистых растений, входят единицы, не содержащие метоксильных групп – гидроксифенил-пропановые единицы.

Лигнин – ценное химическое сырьё, используемое во многих производствах и в медицине.

Применение.

Сульфатный лигнин ограниченно применяется в производстве полимерных материалов, фенолформальдегидных смол, и как компонент клеящих композиций в производстве ДСП, картона, фанеры и др. Гидролизный лигнин служит котельным топливом в лесохимических производствах, а также сырьем для получения гранулированного активного угля, пористого кирпича, удобрений, уксусной и щавелевой кислот, наполнителей.

Сравнительно недавно лигнин был успешно использован в производстве полиуретановой пены.

В 1998 году в Германии фирмой «Текнаро» был разработан процесс получения Арбоформа – материала, названного «жидкой древесиной». В 2000 г. под Карлсруэ был открыт завод по производству биопластика, сырьем для которого служит лигнин, волокна льна или конопли и некоторые добавки, также растительного происхождения. По своей внешней форме арбоформ в застывшем состоянии похож на пластик, но имеет свойства полированной древесины. Достоинством «жидкой древесины» является возможность её многократной переработки путём переплавки. Результаты анализа арбоформа после десяти циклов показали, что его параметры и свойства остались прежними.

Активированный путем щелочной обработки с последующей отмывкой и нейтрализацией лигнин используется для сбора разливов нефти и нефтепродуктов с водных и твердых поверхностей.

15.8. Экологически чистые битоплива [15–23]

ПРЕДЛОЖЕНИЕ ПО ИНВЕСТИЦИОННОМУ ПРОЕКТУ «БИОДИЗЕЛЬ ИЗ ОПИЛОК»

Одним из видов экологически чистого моторного биотоплива являются жидкие углеводороды, получаемые в процессе пиролиза биомассы древесных и сельскохозяйственных отходов, торфа и пр.

ЗАО Технопарк Кременки предлагает установку, решающею технические задачи повышения экономичности и эффективности процесса утилизации обедненного угля, древесины, торфа и пр., методом пиролиза за счет использования локального и объемного нагрева методом быстрого пиролиза RTP-процесс (Rapid Thermal Processing). Высокоскоростной нагрев исходного сырья проводят одновременно с его измельчением в реакторе путем перемешивания исходного сырья с нагретыми билами, выполненными из материала с высоким коэффициентом теплопроводности. При использовании в качестве сырья отходов лесозаготовки и лесопереработки охлажденный мелкоизмельченный твердый минеральный продукт (зола) может использоваться при производстве строительных материалов.

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЭТАПЫ ПРОЦЕССА

1. Сушка исходного сырья острым паром (250 °C), получаемым на 3 этапе процесса (у=4 %). 2. Разложение исходного сырья на газообразную и твердую фазу (зола) при стабильной заданной температуре, поддерживаемой автоматикой.

В зависимости заданной константы температуры задаются процессы образования тяжелых газов (конденсируемых) и легких газов (неконденсируемых). При температурах 450–500 °C образуется 50%тяжелых газов, 40 % легких газов и 10 % золы, а при 500 – 850 °C -30 % тяжелых газов, 60 % легких газов и 10 % золы.

Зола за счет постоянного процесса перемешивания транспортируется к зоне выгрузки. Газообразная фаза имеет следующий состав:

а. СО – 25 %; b. CO₂ – 4 %; c. Н2 – 18 %; d. Н2О – 4 %; e. СхНх -40 % При температурах выше 450–500 °C максимальное значение х=3

Легкие газы обладают энергетикой 8 000 – 10 000 Ккал/кг и могут использоваться для производства тепловой энергии (около 1,5 МВт/час), что позволит обеспечить работу сушильных камер объемом 150-300куб., т. е. сушить по 40 куб. материалов в сутки. В зависимости от потребностей производства легкие газы могут использоваться на газовых турбинах для производства электрической энергии.

3. Охлаждение с 500 до 60^оС. Газовая роса – выпадает тяжелое топливо – жидкие углеводороды. Выход тепловой энергии 118 Квт/час. Образуется острый пар, который используется для сушки сырья 1 этапа. Смолы конденсируются и направляются в реактор для дожигания.

4. Риформинг. Преобразование тяжелого топлива на катализаторах. В зависимости от исходного задания могут применяться катализаторы для получения дизельного топлива Е» или Е4, бузиновых фракций 92-100. Соотношение выходов 50–55 % легких и тяжелых фракций, т. е. из 300 л жидких углеводородов может получаться 160 л дизеля Е2, Е4 и 140 л. смеси жидких углеводородов, по теплоте сжигания эквивалентного мазутам (42 МДж/кг).

Виды исходного сырья.

• Древесные опилки любых типов; • Целлолигнин и лигнин, в том числе кислотный лигнин; • Торф всех типов; • Сланцы; • Бурые и каменные угли, а также их отходы; • Автопокрышки и т. п.; • Иловые отложения; • Отходы АПК (птицеводства, КРС и свиноводства) с добавлением опилок или соломы, предварительно обработанные дезинфектантом для удаления специфического запаха; • Отходы растениеводства (зерновых культур, подсолнечника, орехов и т. п.);

Базовые характеристики пиролизного оборудования.

– Производительность установки – 1 т/час;

– Выход горючих газов – до 2000 куб. м /час;

– Выход жидкой углеродной фракции – от 200 до 300 л/час (в зависимости от производственных потребностей в тепловой энергии);

В том числе:

– Топочный мазут – от 345 600 до 518 400 л/год

– Биодизель – от 1 382 400 до 2 073 600 л/год

– Себестоимость 1 л биодизеля – до 6 руб.;

– Электрическая мощность* – 1,5 Мвт/ч;

– Себестоимость 1 Квт – до 0,9 руб.

– Тепловой мощность – 4,5 Мвт/ч (80 тыс. куб м цехов и зданий)

– Себестоимость 1 Гкал экв. тепловой энергии – 80 рублей.

– Потребляемая электрическая мощность – 10 кВт.

– Твердый углеродный остаток – 691 200 кг/год

– Установленный срок работы – 10 лет.

Значительная часть вырабатываемой тепловой и электрической энергии может быть использована для внутренних нужд лесоперерабатывающего производства, что позволит существенно сократить затраты предприятия на приобретение энергии, как тепловой, так и электрической. Таким образом, использование установки позволяет снизить себестоимость продукции лесоперерабатывающего производства, на котором установлен пиролизный комплекс, на 40–45 %. Пиролизная установка может работать как автономный энергокомплекс, обеспечивая теплом и электричеством поселок на 1 000 – 1 500 домов по автономным коммуникациям.

Получение активированных древесных углей. [15–24]

ГНЦ ЛПК и ЗАО «Содружество» разработали два типа оборудования торговой марки «Установки» для производства древесных и активных углей на древесных основе.[15–24].

Первая «Установка» – печь вращающегося горизонтального типа для получения древесных углей из малоликвидной мелкофракционной древесины (щепа, опилки), производительностью примерно 150 тонн порошкобразных АУ в год.

Вторая «Установка» – вертикальная печь шахтного типа. Этот агрегат представляет собой пиролизер – активатор, способный перерабатывать древесное сырье различных фракций от 150 – 160 мм до мелкой щепы 8 – 10 мм и обеспечивает выпуск не только порошкообразных, но и зерненых АУ типа БАУ-А. Эта «Установка» значительно мощнее и ее годовая производительность достигает 430 тонн АУ в год.

Все тепловые процессы в обеих установках: сушка, пиролиз, активация, парогенерация и пароперегрев – осуществляются за счет собственных газов пиролиза и активации, т. е. дополнительного подвода тепла не требуется.

15.9. Состояние и тенденции развития лесопромышленного комплекса России. [15–25].

Согласно анализу ФАО, Европейская комиссия при ООН открываются большие возможности для российского лесопромышленного комплекса.

Ежегодный прирост лесного богатства России составляет 4 %. При этом, российская древесина по физико-механическим, природным, лесоводческим параметрам – очень высокого качества.

Темпы роста лесозаготовительной промышленности в 2004 году (к 2003) составили 98,3 %, а рост производства деловой древесины -94,3 % Индекс производства в ЛПК России остается одним из самых низких среди отраслей народного хозяйства. Причем достигнут он в основном за счет секторов целлюлозно-бумажной промышленности и производства стройматериалов.

Россия занимавшая второе место в мире после США в конце 80х годов по объемам вывозки древесины, производству пиломатериалов и древесных плит, в настоящее время значительно уступила не только США, но и многим, в том числе развивающимся странам:

– доля РФ в мировом экспорте лесобумажной продукции – 2,3 % (в 5,4 раза меньше, чем в США и в 8,2 раза меньше, чем в Канаде);

– съем древесины с 1 га площади в РФ – 0,2 куб. м (в 3,5 раза меньше, чем в Канаде, и в 11 раз меньше, чем в США).

Особенно страшно то, что доля РФ в мировом экспорте необработанной древесины – 35 % (Канада – 3,5 %, Финляндия – 0,3 %), и только 2–5 % российских лесов перерабатывается в готовые материалы. По данным Федеральной службы государственной статистики РФ за 2004 год, экспорт российского леса рос быстрее экспорта нефти, и составил на 30,9 % больше уровня соответствующего периода 2003 года. Интерес к российскому сырью со стороны других стран весма оправдан, ведь стоимость одного кубического метра древесины, отпускаемого "на корню", в России составляет 1,3 доллара США, это в 31 раз меньше, чем в Финляндии, в 21 раз меньше, чем в США, и в 11 раз меньше, чем в Канаде. В частности, по такой цене продается лес, заготавливаемый для вывоза в ту же Финляндию. При этом существующие платежи за использование лесных ресурсов покрывают затраты государства на лесное хозяйство менее чем на 50 %.

15.10. Биотопливо

В новом веке мировое производство жидкого биотоплива неуклонно росло и в 2009 г. достигло 23,4 млн т/сут., т. е. примерно 2,2 % мировой действующей мощности нефтеперерабатывающих предприятий (в 2005 г. – 0,9 %).

В 2009 г. в тройку мировых лидеров по выпуску биотоплива входили США (45,6 % мирового производства), Бразилия (29,2 %) и ФРГ (3,9 %).

В России имеются соответствующие научные разработки. Например, наличие технологии производства биоэтанола из отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности позволило начать реализацию проекта по созданию биотехнологического кластера в Кировской области на базе завода «Биохим-завод». Промышленная установка по производству биогорючего была разработана совместными усилиями Санкт-Петербургского «НИИгидролиз», шведской компании «Техноферм» и НПФ «Биотин». Мощность завода оценивается в 4 млн дкл. топлива в год, а достаточно низкая себестоимость продукции достигается сокращением транспортных издержек ввиду наличия крупных запасов сырья в регионе.

В настоящее время в мире и России создаются термохимические технологии, которые позволяют получить продукт, называемый бионефтью. Бионефть получается путем глубокой химической переработки (на основе пиролиза) самого разнообразного сырья (древесина, солома, кукурузные отходы, твердые бытовые отходы и др.).

Россия имеет значительный потенциал ВИЭ, включая промышленные, сельскохозяйственные и лесные ресурсы. При этом эффективное использование и переработка в биотопливо растительных и древесных отходов может позволить сократить зависимость предприятий от централизованного энергоснабжения.

В РФ данная сфера энергетики развита слабо. В 2005 г., по данным Министерства сельского хозяйства РФ, мощности по производству топливного этанола составили 1,5 млрд л в год, однако в 2008 г. было выпущено менее 500 млн л данного энергоносителя (из растительного сырья и отходов древесины). В настоящее время некоторые регионы имеют планы по расширению производства жидкого биотоплива (Татарстан, Омская, Томская, Волгоградская, Липецкая, Пензенская, Ростовская и ряд других областей).

В стране основными факторами, сдерживающими развитие отрасли, являются высокие акцизные ставки в производстве спирта, отсутствие нормативной базы, стимулирующей производство топливных смесей и их реализацию в розничной сети, неготовность транспортного сектора к потреблению подобных энергоносителей по техническим причинам, а также специфические особенности биотоплива (высокая температура замерзания, более низкая теплотворность по сравнению с традиционным моторным топливом и др.). Кроме того, расширение выпуска биотоплива без соответствующих мер поддержки сельского хозяйства может стать причиной снижения рентабельности животноводства в случае увеличения цен на зерно, кукурузу, и другие культуры в связи с ростом спроса на них со стороны производителей БТ, а также привести к дефициту зерна на внутреннем рынке.

15. 11. Использование технологии кипящего слоя для утилизации древесных отходов с получением тепла и энергии. Отечественный опыт [15–26]

Задача использования отходов лесопромышленного комплекса (ЛПК) для производства тепла и энергии является крайне актуальной. По данным ФГУП «ГНЦ ЛПК» в конце 90х годов потребление всех видов энергии ЛПК достигало 163 млрд кВтч в год, а собственные резервы по источникам энергии могли бы дать до половины ее потребления. При этом в заготовке, вывозке древесины и лесопилении имеется положительный запас по собственным ресурсам по сравнению с потребляемыми. Однако до сих пор (за исключением крупных целлюлознобумажных комбинатов) эти отходы практически не используются. Одной из причин этого является отсутствие недорого, автоматизированного и надежного устройства для сжигания отходов

Сооружение миниТЭЦ с выработкой тепла и электроэнергии целесообразно только на крупных леспромхозах. В большинстве случаев достаточно получения технологического пара и тепла; возможна также комплектация установки простейшими турбомашинами с небольшой электрической мощностью (без продажи электроэнергии в сети).

Технология кипящего слоя может быть использована для сжигания любых видов древесных отходов, даже если они имеют очень высокую влажность, а сжигание происходит с добавкой влажных иловых стоков. Учитывая значительные капитальные затраты и необходимость наличия высококвалифицированного персонала, эта технология наиболее приемлема для условий ЦБК и крупных леспромхозов. Ниже дан опыт пуска и освоения мощности котла с кипящим слоем.

Котел рассчитан на сжигание кородревесных отходов с влажностью 57 % при паропроизводительности 66 т/ч (давление 4 МПА, температура 440 °C) без подсветки мазутом. Особенностью системы подачи воздуха является схема с установкой вентилятора общего воздуха и отводом части воздуха после нижних пакетов трубчатого воздухоподогревателя к высоконапорному вентилятору подачи первичного воздуха под решетку. Вторичный воздух после верхнего пакета воздухоподогревателя подается к соплам вторичного дутья, расположенным на боковых стенках котла. Топливо подается по двум наклонным течкам с фронта котла. Для растопки предназначены две мазутные горелки; имеются также две нагрузочные горелки, размещенные на боковых стенах. В колпачковой беспровальной решетке имеются шесть оконотвода донной золы, соединенных попарно коробами с линиями отвода золы.

Топка экранирована газоплотными панелями, нижняя часть которых футерована. В верху топки размещается фес тон, а в поворотном газоходе два пакета пароперегревателя. Регулирование температуры перегрева осуществляется с помощью пароводяного теплообменника. В конвективной шахте последовательно размещен верхний пакет водяного экономайзера, верхний пакет трубчатого воздухоподогревателя, нижние пакеты трубчатого воздухоподогревателя, в рас сечку между которыми установлен вход ной пакет водяного экономайзера.

Первый же пуск котла показал, что отходы легко возгораются при температуре слоя около 400 °C, котел способен набирать и поддерживать нагрузку по пару путем изменения расхода отходов. В первый период эксплуатации был выявлен ряд недостатков, которые были уст ранены в процессе освоения мощности котла. В частности, была улучшена раз дача топлива по сечению решетки путем установки специальных сопел с подачей в них пара, усовершенствована система водопитания и заменен один пакет водяного экономайзера, выполнено усовершенствование схемы подачи воздуха подрешетку с установкой дополнительного воздуховода, установлены сажеобдувочные аппараты.

Сразу же после пуска удалось достигнуть номинальной паропроизводительности с номинальными параметрами пара. При этом температура уходящих газов была близка к расчетной (около 190 °C). Содержание горючих в слое не превышало 0,5 %. Горючие в пробе уноса также были невелики – 1,7 %. Величина потерь с механическим недожогом не превышает 0,6 %, а с химическим недожогом – 0,01 %. В результате КПД котла составляет около 85 %. Удваивается также поддерживать и более высокие нагрузки по пару вплоть до 75 т/ч. Выбросы NOx составляют 50100 мг/нм³, а СО до 100 мг/нм³.

Таким образом, в России внедрен котел с кипящим слоем отечественного производства для сжигания кородревесных отходов различного качества. Его эксплуатация позволяет обеспечить экономию дорогостоящего мазута (по крайней мере 2 т/ч), снизить затраты на ремонт котла и уменьшить вредные выбросы.

15.12. Производство биобутанола из целлюлозы [15–27, 15–28]

Создание Восточно-Сибирского комбината биотехнологий и подобных предприятий, важно в условиях новой индустриализации, «на пороге которой стоит Россия». За счет производства биобутанола в России удастся заместить от 5 % до 20 % потребляемого бензина – примерно от 7 млн тонн до 28 млн тонн ежегодно.

Биобутанол даст новую жизнь Тулунскому гидролизному заводу. На полную проектную мощность – 30 тысяч тонн биобутанола в год – предприятие должно было выйти в конце 2009 года, но возникли проблемы, связанные с метаболитическими особенностями культуры Clostridium acetobutilicum. Подобные комбинаты будут созданы в Усть-Илимске, Бирюсинске и Зиме.

ОАО «Корпорация «Биотехнологии» делает ставку на производство биобутанола II поколения, который производится из возобновляемых непищевых источников сырья – опилок, соломы, торфа. Такой подход не просто решает проблему использования не по назначению сельхозпродукции, но и помогает справиться с еще одной серьезной проблемой – повсеместным скоплением отходов. ОАО «Корпорация «Биотехнологии» разработали и предлагают такую технологию производства биобутанола, когда в качестве первичного сырья используются целлюлозосодержащие отходы сельхоз-переработки и лесной промышленности. Сама по себе эта технология уникальна, имеет инновационный характер. По сути, из целлюлозосо-держащего сырья извлекается ферментативный бутанол.

Главная проблема – как разрушить целлюлозу для того, чтобы могли работать ферменты. В российском изобретении эта проблема решается с помощью помола до микронных размеров – это первый этап, который позволяет вскрыть целлюлозу.

В 2008 г. на предприятии ОАО «Восточно-Сибирский комбинат «Биотехнологии» (ВСКБТ) в г. Тулуне Иркутской области на опытнопромышленной установке по данной технологии был успешно произведен первый в мире биобутанол из древесины. На полученном биобутаноле (в различных пропорциях с бензином) из Тулуна в Тольятти совершили пробег в рамках совместного проекта с ОАО «Автоваз» три автомобиля Lada Kalina. Заправленные биотопливом (смесью бензина и биобутанола), они преодолели расстояние в 4 тыс. км. и без каких-либо осложнений доехали до конечного пункта. Произведенные промежуточные и финальные замеры показали значительное снижение двигателями этих машин вредных выбросов в атмосферу. ВСКБТ создан на базе ОАО «Тулунский гидролизный завод». Это профильное предприятие по выпуску биобутанола. На сегодняшний момент по оценкам ОАО «Корпорация «Биотехнологии» оно является самой оптимальной площадкой, причем как для апробации, так и для реализации этой технологии в промышленных масштабах. ОАО «Тулунский гидролизный завод» – один из немногих в отечественной гидролизной отрасли, которому удалось уцелеть.

Можно сказать, что старт для создания новой отрасли уже состоялся. А для ее развития в ближайшей перспективе потребуются модернизация и запуск еще четырех аналогичных предприятий в Сибири. По расчетам ОАО «Корпорация «Биотехнологии» и уже фактически проработанным планам, биотопливная отрасль России будет включать до 30 профильных заводов. Это вполне реально с учетом возможных объемов сбыта продукции. В число 30 предприятий войдут как бывшие заводы гидролизной промышленности, так и предприятия спиртовой отрасли, мощности которых простаивают. [15–29].

15.13. Производство диметилового эфира. Надежды конструкторов, водителей и экологов [15–30]

Правительство Москвы разработало и утвердило в марте 2002 г. городскую целевую Программу использования альтернативных видов моторного топлива на автомобильном транспорте города на 20022004 гг.

Результаты работы дизеля на ДМЭ.

1. Уровень выбросов окислов азота NOx на всех режимах был существенно меньше, чем на дизтопливе. Особенно значительное снижение, в 2…3 раза, наблюдалось на наиболее нагруженных режимах – от 50 до 100 % используемой мощности двигателя.

2. При нагрузке от 50 до 100 % мощности на режиме максимального крутящего момента (при частоте вращения коленвала 1600 мин-1) уровень выбросов несгоревших углеводородов СН снижался на

20.. 70 % по сравнению с дизтопливом, а на режимах малых нагрузок (при использовании мощности двигателя от 10 до 20 %) значительно превышал уровень на дизельном топливе.

3. Уровень выбросов окиси углерода СО при работе на ДМЭ на всех режимах превышал соответствующие величины на дизтопливе. По сравнению с природным газом работа двигателя на режимах внешней характеристики на ДМЭ обеспечивала снижение выбросов NOx в

2.5.. 3.0 раза, СО – в 5…6 раз, СН – в 3,0…3,5 раза.

15.14. Производство биодизельного топлива

ОРГАНИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА БИОДИЗЕЛЬНОГО ТОПЛИВА НА БАЗЕ ОАО ПХ «ЛАЗАРЕВСКОЕ». [15–31]

Обоснование выбора оборудования для ОАО ПХ «ЛАЗАРЕВСКОЕ»

За основу планируемого производства принята специализированная линия производства ООО «Биодизель Крым», Симферополь, Украина.

Оборудование производится в соответствии с техническими условиями ТУ У 29.5-34582279-001:2006 "Установки универсальные для производства биодизеля". Биодизель соответствует европейскому стандарту EN14214, американскому ASTM, производится по ТУ У 24.1-34582279-002:2006 "БИОТОПЛИВО ДИЗЕЛЬНОЕ".

Рис. 15–18 УБУ-50 (1200 л/сутки)

Сырьё для производства биодизеля: рапсовое масло, некондиционные и отработанные масла растительного происхождения, животные жиры, метанол, щелочь.

Готовые продукты: биодизель, глицерин. Необходимая площадь – от 30 кв. метров, высота – от 3 метров, приточно-вытяжная вентиляция.

Доходность проекта и срок окупаемости.

Суммарно, в качестве агентов продаж выступают биодизель и глицерин. Показатели приведены для круглосуточной работы линии (22 суток в месяц, 242 суток в год).

Биодизель

При использовании биодизеля для собственных нужд ООО «Эко-Ресурс» и ОАО ПХ «Лазаревское» цена 1 литра топлива составит приблизительно 9 руб (без НДС -18 % и планируемой прибыли-10 %).

Поскольку внутренняя и экспортная цены биодизеля совпадают и примерно равны 610 долларам США за метрическую тонну, то годовая выручка от продаж биодизеля на внутреннем и внешнем рынках составит 154 410 долларов США (примерно 3 860 263 рублей).

Глицерин

При реализации глицерина на внутреннем рынке по цене 13 руб/кг годовой доход составит примерно 16 555 долларов США (около 405 600 руб).

При дополнительной подготовке и сертификации продукта оптовая экспортная цена 1 МТ высокочистого глицерина составит 1,500 долларов США в среднем, следовательно, годовая выручка от продаж глицерина может достигнуть объема не менее, чем 31,22 т х 1,500 дол. США = 46 830 долларов США.

Суммарный годовой доход от реализации производимой продукции, таким образом, составит 3 860 263 руб. + 405 000 руб. = 4 265 263 руб.

Чистый годовой доход производства составит 4 265 263 руб. – 2 560 844 руб. = 1 704 419 руб.

Стоимость линии с НДС – 380 000 рублей, коммерческие и общехозяйственные затраты – 30 %. Таким образом, общие затраты на приобретение оборудования составят 494 000 рублей.

При условии проектного кредитования под 15 % годовых итоговая стоимость реализации проекта достигнет порядка 570 000 рублей.

Срок окупаемости проекта, таким образом, не превысит шести месяцев.

Компактный комплект оборудования для производства биодизеля.

Компактный комплект оборудования российского производства для получения биодизельного топлива из растительных масел. Установленное оборудование занимает площадь примерно 15 м² (без учета площади для размещения емкостей, количество и объем которых зависит от индивидуальных требований собственника производства в каждом отдельном случае).

Комплект оборудования можно разместить в 20-футовом контейнере. При размещении оборудования в контейнере его можно перевозить на грузовом автомобиле от одного места производства биодизеля к другому (например к хранилищам масла или маслодобывающим заводам).

Размещение оборудования в контейнере дает возможность обойтись без проектных работ и начать производство биодизеля в кратчайшие сроки после установки контейнера на месте производства.

Производительность установки: 1 – 2 м³/час биодизеля. Производительность зависит от показателей исходного сырья, поэтому заранее невозможно предсказать точную производительность установки.

Ориентировочный материальный баланс. Для получения 1 м³ биодизеля необходимо затратить 1 тонну растительного масла, 110 литров метилового спирта (метанол марки "А" согласно ГОСТ 222295) и 10 кг каустической соды (гидроксид калия [KOH] согласно ГОСТ 24363-80). При этом на выходе установки, кроме биодизеля, будет получено 100 кг глицерина-сырца (глицерола).

Максимальная (пиковая) потребляемая электрическая мощность: 12 кВт. Занимаемая площадь: 15 м². Вес комплекта оборудования: до 3 000 кг (без учета веса контейнера).

В процессе работы оборудование обслуживается одним человеком. В качестве исходного сырья можно использовать отработанное растительное масло после фритюра (из ресторанов, предприятий быстрого питания). Главным требованием к такому маслу является небольшое кислотное число (желательно до 1,5 %). При кислотном числе масла более 7 % необходимо провести его предварительную рафинацию. Полученный биодизель будет соответствовать европейскому стандарту EN 14214 (при условии соблюдения требований к качеству исходного сырья).

Полученный биодизель имеет тип B-100, то есть является 100 %-м биодизельным топливом. Его можно использовать для заправки грузовиков и тракторов в чистом виде. Для заправки легковых автомобилей чистый биодизель необходимо смешивать с минеральным дизельным топливом. Например, биодизельное топливо, содержащее 10 % биодизеля и 90 % минерального дизельного топлива, имеет тип B-10. Смешивание биодизеля с минеральным дизтопливом также можно производить на нашем оборудовании.

Во время основного процесса производства биодизеля в него можно вводить дополнительные присадки (например, снижающие коксуемость биодизеля).

В стандартный комплект поставки входит:

• кавитационный реакторсмеситель для производства биодизеля;

• комплект насосов;

• комплект соединений;

• комплект запорной арматуры;

Химически биодизель – это метиловый эфир, являющийся продуктом реакции этерификации растительного масла при температуре около 50 °C в присутствии катализатора.

Необходимы диверсификация энергоснабжения, являющаяся "страховкой против риска", и глубокие технические изменения в разработке и освоении новых видов энергии, а также в ее рациональном использовании. Возобновляемые виды биотоплива можно широко использовать не только в автотракторных дизельных двигателях, но и в дизелях, используемых на железной дороге или в водном транспорте. Например, актуальной задачей для железно-дорожного транспорта на данный момент является улучшение экологических показателей тепловозов в соответствии требованиям между-народных норм и стандартов. Анализ методов оценки и путей снижения отрицательного экологического воздействия дизелей на окружающую среду показывает, что в настоящее время основным направлением является использование альтернативных топлив.

15.15. Малотоннажная технология получения дизельного топлива из древесных отходов и торфа [15–47]

Проблема производства моторных биотоплив имеет несколько технологических и технических решений, не исключающих друг друга. Успешная реализация каждого определяется энергетическими и экономическими условиями каждого отдельного региона России.

Для решения проблем производства моторных биотоплив компанией ООО «ТРИВИМ Лтд», г. Саров предлагается малотоннажная технология получения моторных топлив из древесины, торфа и производство соответствующих установок.

Основные этапы технологии:

• измельчение и сушка сырья до 10 % влажности;

• газификация с получением генераторного газа;

• очистка, охлаждение и компримирование генераторного газа;

• оптимизация состава газа с получением синтез-газа;

• каталитический синтез смеси углеводородов (синтезе Фишера-Тропша);

• разделении смеси углеводородов на фракции.

Газообразные углеводороды, выделенные из смеси, сжигаются с

получением технологического тепла. Жидкие углеводороды разделяются на дизельное топливо, бензиновый растворитель (октановое число 70) и пищевой парафин. Вода появляется при сушке сырья. Электричество и тепло вырабатываются Стирлинг– когенератором, утилизирующем сбросное тепло технологии. Последние энергоносители используются для внутренних нужд установки.

Технология инсталлируется в стационарной или транспортабельной установке с производительностью по дизельному топливу (1…10) тыс. т/год. При этом основное технологическое оборудование транспортабельной установки с производительностью 1 тыс. т/год (120 кг/час) помещается в 40-футовый контейнер. С учетом малой плотности отходов и большой территории страны лучшим решением для России представляется транспортабельный вариант установки. Это позволит получать и использовать дизельное топливо в местах добычи леса (торфа) и, отказавшись от сравнительно дорогого нефтяного топлива, снизить себестоимость добычи.

Рис. 15–19. Схема производства моторных топлив из древесины и торфа.

Привлекательны и экологические параметры дизельного топлива. По сравнению с нефтяным получаемое топливо характеризуется содержанием меркаптановой серы (масс.%) – 0,002 (нефтяное не более 0,01), содержанием смол (мг/100 см³) – 0,5 (нефтяное не более 30–40).

Цетановое число топлива – 51. Имеется возможность регулировки цетанового числа, температуры замерзания и вязкости топлива.

Жидкое моторное биотопливо [15–32].

Внедрение в России технологий и создание рынка потребления биотоплива необходимо принятие соответствующих законодательных мер по стимулированию развития этого направления.

В России при ее ресурсном потенциале можно было бы активно развивать производство моторного биотоплива, которое, в частности, экспортировалось бы в Европу, т. к. потребность в нем там будет расти, исходя из поставленных ЕС целей. Сейчас европейцы с интересом смотрят на Россию, как на источник биомассы для их биотопливных заводов, однако нашу страну больше бы устроил немного другой вариант: западные инвестиции в биотопливные заводы на территории России. Инвестиции в технологию BtL, например, исчисляются миллионами долларов: завод строится в Германии, но сырье для него немцы уже сейчас ищут в России.

ЧТО делать?

Для продвижения темы жидкого моторного биотоплива сегодня необходима, с одной стороны, государственная политика в этом направлении. С другой стороны, инвестиции в данное направление.

Спрос на Западе есть, следовательно, необходимо убедить западных инвесторов, что вкладывать деньги в подобные технологии в России – безопасно и перспективно.

Пока обе предлагаемые меры остаются под вопросом: государству еще не до моторного биотоплива, иностранцы всерьез опасаются делать большие вложения в нашу неустойчивую экономику.

15.16. Биодизельное топливо из соломы [15–33]

Солома пшеничная содержит общую влагу в количестве более 13,35 ±0,12 %, сырую клетчатку – 42,33±1,0 %; кальций, до 0,32±0,05 %; фосфор – 0,09 ±0,01 %. Сжигание соломы является нарушением сразу трех законодательных актов: федеральных законов «Об охране окружающей среды» и «Об охране атмосферного воздуха», а также Кодекса РФ об административных правонарушениях. Дым от сжигания этого отхода (соломы) – мощный загрязнитель атмосферного воздуха. Каждые 1000 га сожженной стерни выделяют в атмосферу 500 кг окислов азота, 370 кг углеводородов, 3 тонны золы, 20 тонн углекислого и угарного газов. Анализ химического состава соломы свидетельствует: при урожае соломы в 5 т/га из почвы ежегодно извлекается до 40 кг/га калия, 30–35 кг/га фосфора и до 66 кг/га азота

Сущность предложения заключается в применении метода аллотермической каталитической гидратации отходов в газ, с высокой теплотворной способностью с последующим синтезом из него двух марок моторного топлива, соответствующего маркам высокооктанового зимнего бензина АИ98 и летнего дизельного топлива. В отличие от известных технологий (включая реакцию Фишера-Тропша) процесс не требует высоких давлений, температур и дорогостоящих катализаторов. Не нужно чистить газ от сернистых и азотистых примесей. Кроме того, в процессе производства получается минеральное калийное удобрение, электроэнергия, тепловая энергия. Нет необходимости добиваться высокого выхода на каждой стадии процессы, достаточны выхода в 40–80 %. От сжигания водорода получается электроэнергия. В итоге из 1000 кг соломы в час, получается до 700 кг/ч биодизельного топлива марки А с цетаном 52–56, температурой кипения 168 градусов С, температурой вспышки 65 градусов С. Плотность больше, чем у ДТ, что позволяет залить в бак на 12 % больше моторного топлива. Плотность ДТ для электростанций и стационарных дизелей не регламентируется. Оптовая стоимость биодизеля за 1 тонну 18 000,00р. Прибыль с оптовой продажи 1тонны биодизеля 6 801,88р. Прибыль с оптовой продажи за месяц 1 385 852,30р. Кроме биодизеля практически на том же оборудовании можно производить биобензин. Кроме дизельного топлива производится минеральное калийнфосфатное удобрение (до 50 кг/ч). Усвоение растениями в течение 7 дней. Выбросы в атмосферу вредных веществ и углекислого газа исключены. Можно получить финансирование от продажи квот согласно Киотского протокола. Стоков нет. Выбросы в атмосферу отсутствуют. Кроме того при небольшой модификации оборудования ассортимент выпускаемой продукции можно расширить растворителем для нитрокрасок, добавками в дизельное топливо и бензин, лаками, красками.

По той же технологии можно получать топливо из торфа, бурого угля, сланца, отходов.

15.17. Мини-завод шаха «потрам-лигнин-пиролиз» по переработке лигнина, опилок, щепы в бензин и дизтопливо [15–34]

Теоретически, древесные отходы и в целом биомасса могли бы стать такой же золотоносной жилой российской экономики, как сегодняшняя нефть. Россия, обладая четвертью мировых лесных запасов, имеет огромный биотопливный потенциал. Процент древесных отходов на предприятиях лесопромышленного комплекса может составлять от 5 до 60 процентов.

В зависимости от вида биомассы возможно применять различные технологии ее использования. Из древесины и отходов лесопромышленного комплекса можно получать как твердое, так газообразное и жидкое биотопливо.

Технология получения жидкого топлива путем переработки низкокалорийных отходов лесного и сельскохозяйственного производства.

Для максимального использования в энергетике низкокалорийных полезных бытовых отходов, отходов лесного и сельскохозяйственного производства или специальной выращиваемой биомассы разработан процесс разложения, заключающийся в высокоскоростном нагрев их без доступа кислорода (воздуха) до температур, при которых скорость выделения требуемых продуктов максимальна. Параметры процесса, быстрого пиролиза, состав и количество выделяемых продуктов предварительно уточняются для каждого типа сырья. Мини-завод "Потрам– Лигнин-Пиролиз", разрабатывается для каждого вида сырья. Максимальные температуры переработки определяются температурой существования вещества, в Мини-завод Шаха "ПОТРАМ-Лигнин-Пиролиз" по переработке лигнина, опилок, щепы в бензин и дизтопливо.

Высокоскоростной нагрев вещества обеспечивает: минимальные потери энергии в окружающую среду; • максимальную скорость химического процесса, с выделением продуктов в газовую фазу; • максимальную концентрацию влаги и ее использование.

Скорость нагрева вещества должна превышать скорость физикохимических процессов, протекающих в перерабатываемой массе. Выход жидкого топлива составляет 70 % от органической массы сырья. Из 1 т древесных опилок можно получить 700 литров жидкого топлива.

В твердой фазе остаются неорганические компоненты и продукты химической модификации (углеподобный остаток). Количество углеподобного остатка определяется содержанием лигнина, и всегда ниже количества остатка, получаемого при других методах переработка.

Для получения основного компонента жидкого топлива газовая фаза частично конденсируется (образующиеся, в процессе н изкомоле-кулярные продукты не конденсируются). Газовая фаза после конденсации или без нее может направляться непосредственно на сжигание. Теплота сжигания (теплотворная способность) основного компонента топлива обычно больше высшей теплотворной способности сухого топлива, данного типа. Так, высшая теплотворная способность древесины составляет 4-500 ккал/кг, а теплота сжигания жидкого и твердого компонентов – 5500 -500 ккал/кг. Жидкое топливо может использоваться как моторное топливо в двигателях внутреннего сгорания.

Мини-завод Шаха "Потрам-Лигнин-Пиролиз" работает за счет сжигания продуктов переработки или исходного сырья.

Преимущества процесса:

• высокая скорость;

• высокая степень превращения перерабатываемой продукции;

• малые габариты основного узла установки;

• небольшой расход энергии на единицу перерабатываемой продукции;

• низкая себестоимость энергии, получаемой из продуктов реакции.

15.18. Получение левулиновой кислоты из отходов растительного сырья древесного происхождения [15–35]

Изучен состав жидких органических продуктов, образующихся из древесины различных пород деревьев при 150, 200, 250 °C в присутствии 1, 3 и 5 % НС1, НВг и Н2Б04. Выход левулиновой кислоты преимущественно определяется температурой и продолжительностью реакции, количеством введенного катализатора, и практически не зависит от гидромодуля при его изменении в интервале 1:5 – 1:10.

Установлено, что выход левулиновой кислоты практически не зависит от вида используемой древесины. При этом он достигает следующих значений: из древесины березы – 17.8 %, из древесины сосны 16.0 %, из древесины пихты – 15.6 весовых % от веса исходного сырья при введении 5 % H2SO4 и температуре процесса 240 °C.

Изобретение относится к химии органических соединений, а именно к способу получения левулиновой (4-оксопентановой) кислоты, которая находит применение для получения пестицидов, клеевых композиций для полипропилена, в парфюмерной, фармацевтической, металлообраба-тывающей промышленности, а также как полупродукт для органического синтеза ракетного биотоплива.. Цель изобретения – повышение выхода целевого продукта и упрощение процесса. Поставленная цель достигается получением ЛК путем гидролиза при атмосферном давлении гексозусодержащего сырья нагретой до кипения разбавленной соляной кислотой в присутствии двуокиси марганца. Проведение реакции при атмосферном давлении позволяет упростить процесс, а применение двуокиси марганца позволяет повысить выход целевого продукта до 56 %. Отличительным признаком изобретения является использование двуокиси марганца в количестве 0,19 – 0,30 % от массы сырья и проведение процесса в течение 30 – 35 часов при температуре 105-107 °C и атмосферном давлении.

Глава 15.17. Древесина, торф, уголь – полноценная и быстро-окупаемая замена бензина, дизтоплива, природного газа.[15–36].

Одним из путей выхода из существующего положения – это газификации твёрдых видов биомассы – древесины, торфа, твердых отходов АПК.

Газификация – процесс со сложным комплексом химических реакций, основными из которых являются следующие:

С + О₂ =СО₂

2С + О₂= 2СО

С + СО₂ =2СО

С + Н₂О= СО + Н₂

С + 2 Н₂ =СН₄

2Н₂+О₂ =2Н₂О

СО + Н₂О= СО₂ + Н₂

СО + 3Н₂ =СН₄ + Н₂О

Целевыми компонентами в этой смеси являются СО, Н₂ и СН₄

Усреднённый состав генераторного газа следующий:

Горючие газы (%):

– оксид углерода – угарный газ СО – 26,0

– водород (Н₂) – 15,0

– метан (СН₄)– 0,32

Инертные газы (% об.):

– азот(N₂)– 51,0

– двуокись углерода (СО₂) – 7,56

Примеси:

– пары воды (Н₂О)

– смолы

– механические примеси

Большие объёмы заготовок и переработки леса сопряжены с получением больших количеств отходов древесины, которые могут стать практически подготовленным топливом для газогенераторов. Использование древесных отходов не только очищает природу от загрязнений, но и снижает или полностью исключает затраты на покупку электроэнергии предприятиями, посёлками, городами, делают их независимыми от ненадёжного внешнего энерго– и газоснабжения.

Дизельные двигатели имеют широкое применение в производстве автомобилей, тракторов, автономных электростанций. Перевод широкого ассортимента дизелей на газовое топливо решает сразу много вопросов и в первую очередь экономические. Потребители бензина, ДТ, природного газа могут перейти на местные, гораздо более дешёвые виды топлива, это развязывает им руки, снижает зависимость от деятельности энергетических монополий.

Другие решаемые проблемы:

– Экологические – современные крупные заготовки и переработка древесины вызывают концентрацию отходов производства в определённых местах, вызывая негативное воздействие на почву, почвенные воды, атмосферу. Использование отходов для производства электрической и тепловой энергии – крупномасштабное экологическое мероприятие, способствующее выполнению Киотского соглашения.

– Ресурсосбережение. По имеющейся информации количество отходов, образующихся при глубокой переработке древесины достигает 30–35 %, это означает исключение из топливного баланса страны многих миллионов тонн топлива. Данная ситуация аналогична положению в добыче нефти и газа, когда многие миллиарды углеводородных газов низкого давления выбрасываются для сжигания на факелах.

– Социальные. Для производства дополнительно необходимых двигателей, электрических генераторов, газогенераторов, энергетических установок различной мощности и их обслуживания необходимы люди для постоянной работы. Развитие данного направления позволит развивать малые производства в любых отдалённых от ЛЭП и газопроводов районах.

Автономная и дешёвая энергетика в районах центральной Сибири, Дальнего Востока – реальное дело и требующая государственного решения.

15.18. Энергетические установки на генераторном газе

Принципиальная схема Энергетических установок на генераторном газе представлена на нижеследующем рисунке.

Энергетические установки включают в себя следующие основные узлы:

Рис. 15–20. Схема получения электроэнергии из генераторного газа.

Эпликация оборудования: 1. Рубилка, 2. Сушилка-бункер с ворошителем, 3. Блок радиаторов охлаждения генераторного газа. 4. Газогенератор, Сепаратор, 6. Фильтр, 7. Газопоршневой электрогенератор.

Измельчение древесины.

Рис. 15–21. Измельчитель древесины.

Для придания древесине однородности, древесные отходы подвергаются рубке на рубильной машине, Получаемая щепа имеет в длину 16–22 мм и толщину 5 мм… К получаемой щепе допускается добавление до 15 % опилок..

Рис. 15–22. Энергетическая установка мощностью 30 кВт для работы на древесине.

2. Сушка щепы.

Сушка щепы производится в бункере с ворошителем потоком тёплого воздуха от вентилятора охлаждения газопоршневого двигателя, радиатора охлаждения генераторного газа, в который направляются выхлопные газы этого же двигателя. Бункер располагается в торце газопоршневого двигателя со стороны радиатора с целью максимального использования потенциала потока тёплого воздуха от вентилятора двигателя.

3. Газогенератор.

Газогенератор представляет собой вертикальный, полый цилиндрический или прямоугольного сечения аппарат, условно разделённый на следующие зоны:

3.1. Бункер для загрузки и хранения щепы и подачи её в зону горения. Периодически в бункер загружается вручную или механическим образом щепа. В бункере производится сушка щепы и испарение летучих веществ.

3.2. Зона горения. В зону горения из атмосферы через фурмы подаётся воздух в дозированном количестве для обеспечения неполного сгорания древесины и максимального получения целевого продукта – окиси углерода – СО, а не двуокиси углерода – СО₂. Окись углерода – СО является основным энергетическим компонентом генераторного газа. Вместе с воздухом в зону горения может подаваться водяной пар, обеспечивающий образование водорода, в зоне высокой температуры образуется частично метан и расщепляются летучие смолы.

Из зоны горения выходят генераторный газ и зола, зола падает в сборник, из которого она периодически удаляется. Горячий газ с температурой 300–500 °C поступает на охлаждение.

Чем лучше ведётся процесс газификации, тем больше содержание горючих газов, тем выше эффективность всей работы энергетической установки. Особое внимание необходимо уделять подготовке топлива, а именно: – фракционному размеру; – влажности топлива и своевременной и быстрой загрузке газогенератора топливом. Подача пара в зону восстановления обеспечивает увеличение содержания водорода в генераторном газе.

Узел генерации газа представлен в составе газогенератора, сепаратора и фильтра тонкой очистки газа на фото.

Рис. 15–23. Газогенератор

3. фильтр тонкой очистки газа.

4. Охлаждение газа.

Охлаждение генераторного газа производится с целью использования его тепла также конденсации паров воды и смол. Охлаждение генераторного газа производится в радиаторе с оребрёнными трубами и обдуваемом вентилятором газопоршнево двигателя, нагретый воздух обдува труб радиатора направляется на сушку щепы охлаждённый до 70–80 °C генераторный газ направляется на сепарацию.

5. Сепарация газа

5.1. Массообменный сепаратор. Массообменный сепаратор обеспечивает смешение неочищенного газа с размельчённой до микронно уровня дисперсности жидкостью, контакт капель жидкости с механическими смолообразными примесями и их отделение вместе с каплями жидкости центробежной секции сепаратора.

Высокая плотность орошения жидкости на поступающий газ, достигающая 2 м³/на м² сечения и высокая дисперсность абсорбирующей жидкости обеспечива практически полное извлечение примесей из генераторного газа.

Массообменный сепаратор хорошо работает в строго определённых пределах производительности по газовому потоку. Он расчитывается и изготавливается на задаваемые условия, в других условиях он работать не будет.

5.2. Адсорбционная очистка. При необходимости генераторный газ подвергается очистке на твёрдом носителе. Твёрдый носитель или адсорбент имеет большую удельную поверхность и насыпается в цилиндрический полый аппарат герметично закрывается и подсоединяется к газовому потоку. Оставшиеся генераторном газе частицы смолы прилипают к поверхности адсорбента, очищен газ направляется в газовую топливную линию газопоршневого электроагрегата твёрдый адсорбент по мере потери активности (забивки смолой) меняется на свежий.

6. Газопоршневые электроагрегаты.

Очищенный и охлаждённый генераторный газ поступает в качестве топлива в газопоршневые электроагрегаты… Основная масса газопоршневых двигателей будет создаваться с использованием простых, надёжных и хорошо проверенных двигателей Минского и Ярославского моторных заводов.

Ниже представленные фото ГПЭА-100 с двигателем Д-266(Г) Минского моторного завода, ГПЭА-400 с двигателем ЯМЗ-8503.10(Г) Ярославского моторного завода и ГПЭА-150 с двигателем ЯМЗ-238(Г) дают представление о технической возможности применения современной техники для производства электрической и тепловой энергии.

Технические параметры наших газопоршневых электроагрегатов представлены в таблице (Приложение 1).

Рис. 15–24. Газопоршневые электрогенераторы ГПАЭ-100, ГПАЭ-150.

Рис. 15–25. Газопоршневой электрогенератор ГПАЭ-400.

ООО «РМ-Экология», являясь представителем НПО «ЭКО-МАШГРУПП», представляет автономные газогенераторы, перерабатывающие отходы деревообрабатывающей, сельскохозяйственной промышленности в электрическую и тепловую энергию.[37].

Виды отходов для переработки:

древесные отходы (щепа, стружка, пеллеты и т. п.), сельскохозяйственные отходы (помёт, подстилка, лузга, шелуха и т. п.), торф.

Из 1,2 кг отходов в среднем вырабатывается 1 кВт электроэнергии и столько же тепловой энергии.

Рис. 15–26. Схематическое изображение стратифицированного газогенератора нисходящего потока.

Автономные газогенераторы производят топливо, за счет которого полноценно и эффективно работают двигатели внутреннего сгорания любых типов: карбюраторные, инжекторные, дизельные.

Двигатель внутреннего сгорания соединён с электрогенератором и используется для получения электрической энергии. Двигатели могут работать на газогенераторном топливе и на том топливе, которое предусмотрено конструкцией. Для этого монтируется переключатель видов топлива. Стоимость генерируемого топлива, эквивалентного одному литру бензина, будет составлять 2–4 рублей в зависимости от стоимости сырья, при этом для карбюраторных двигателей не требуется переделка. Газогенератор герметичен. Выхлопные газы двигателя, использующего генераторный газ экологически более безопасные. Октановое число генераторного газа 110–140. Моторесурс двигателей, работающих на генераторном газе на 20–30 % больше, чем двигателей работающих на бензине или дизтопливе. Продукция позволяет производить электрическую и тепловую энергию и утилизировать различные производственные отходы. Применение газогенератора для российской экономики в целом очень перспективно, особенно для сельских районов, где имеется большое количество неиспользуемого местного топлива и горючих твёрдых отходов (отходы деревообработки, сельского хозяйства, животноводства, торф). Стоимость электроэнергии, полученной с помощью газогенераторов, существенно ниже существующих на сегодняшний день тарифов, что может быть стимулом для развития перерабатывающих предприятий в сельском хозяйстве и на торфодобыче.

С помощью газогенератора существенно снижаются затраты на топливо для работы всей техники и механизмов, работающих на деревообрабатывающих, сельскохозяйственных и торфо перерабатывающих предприятиях.

В состав эВ состав Энергетической установки входят:

1. Газогенератор с системой подачи топлива

2. Система охлаждения и очистки газа

3. Двигатель внутреннего сгорания

4. Электрогенератор

5. Система управления

Рис. 15–27. Электрогазогенераторы для производства электроэнергии, газификаторы – Адаптика [15–38].

Описание процесса газификации.

Отходы засыпаются в бункер, снабжённый ворошителем, и далее поступают в шнековый транспортёр. Шнек осуществляет дозированную подачу топлива в газогенератор, в котором происходит процесс превращения топлива в горючие газы. Газ поступает в систему очистки и охлаждения далее в двигатель внутреннего сгорания в качестве топлива. Двигатель приводит в движение электрогенератор вырабатывая электроэнергию, одновременно в системе охлаждения происходит нагрев воды, используемой в качестве теплоносителя тепловой энергии. Циркуляция воды в системе обеспечивается насосом. На стадии газификации топливо нагревается раскалённым реактором, разлагается на углерод, водяной пар, смолы и масла. Дальнейшая реакция между углеродом и кислородом воздуха обеспечивает температуру, достаточную для образования окиси углерода– основного горючего компонента. Смолы и масла тоже разлагаются на горючие газы.

Основные преимущества.

Результаты замеров вредных выбросов показывают, что они по количественному и качественному составу близки к выбросам при работе на природном газе.

Превращение древесных, сельскохозяйственных отходов и другого твердого топлива в горючий газ, а из него в другие виды энергии обеспечивает возможность экономичного автономного производства и жизнедеятельности, в результате чего достигается высокий уровень жизни и конкурентно способности.

Автоматический режим работы, то есть не требует постоянного присутствия обслуживающего персонала. Утилизируются отходы деревообрабатывающей, сельскохозяйственной промышленности, превращаясь в чистую энергию (1,2 кг отходов = 1 кВт электроэнергии) Себестоимость электроэнергии снижается до 1 рубля, тепловая энергия получается вообще бесплатной. Возможно сжигание гранул, пеллет, торфа. Использование установки заменяет дорогие энергоносители (газ, мазут, электро энергию). При установке газогенераторных установок нет необходимости вести дорогостоящие электросети и газопроводы, для получения электрической и тепловой энергии используется местное топливо.

«Форд» сядет на диету. [15–39].

"Хотя 2025 год далеко, надо понимать: если Россия за это время не перейдет от "нефтяной" экономики к "нормальной", с развитой промышленностью и новыми отраслями, то это закончится плачевно для бюджета, а нефти придется искать иные способы применения", – прокомментировал "РГ" инновационный проект американцев эксперт агентства "Автостат" Сергей Удалов. По его словам, торопиться надо уже сейчас, так как проблемой сокращения потребления бензина, производством электромобилей, гибридных автомобилей, авто, работающих на альтернативном газовом, водородном топливе, озабочены лучшие конструкторские умы гигантов всего мирового автопрома. "Не только Америка, все человечество стремится отойти от нефтяной зависимости", – заключил Удалов. Что касается российского автопрома, то он, по мнению эксперта, уже настолько сильно интегрировался в мировой, собрав на своей территории лучших иностранных автопроизводителей, что также через десяток лет впишется в передовики. Тем более сейчас речь идет о совместном проектировании с западными специалистами новых разработок двигателей. Кстати, сегодня вазовская "Калина" потребляет примерно около 7 литров бензина на 100 километров. А одна из специализированных моделей "Фольксвагена" уже "ест" всего 1 литр на 100 километров, что не свидетельствует о каких-то супернормах, о которых говорят в США.

РОССИЯ.

В России биотоплива для двигателей внутреннего сгорания остаются экзотикой. Этому способствует как наличие значительных запасов нефти и газа, так и объективные трудности, связанные с получением и использованием топлив из природного сырья. Россия – это не Европа, не США и, тем более, не Бразилия. Тут более Суровый климат, и получать дешевый спирт или масло, снимая по нескольку урожаев в год, не выйдет. Климат заметно ограничивает и применимость биотоплив. Например, биодизельные топлива на основе рапсового масла застывают при температурах около -15 °C, а в ряде случаев и выше. Это ограничивает применимость биодизеля южными регионами страны или летним временем года. Проблема застывания существует и для нефтяного дизельного топлива, но она успешно решается технологическими методами (депарафинизация, облегчение фракционного состава) или добавлением депрессорных присадок, эффективно снижающих температуру застывания. Для растительных топлив такие присадки еще только разрабатываются.

Другая проблема – поглощение влаги из атмосферы, при низких температурах грозящее расслоением топлива, коррозией и образованием льда. Спирт и его смеси с бензином не замерзают, однако еще больше склонны к поглощению влаги. На определенном этапе это может привести к расслоению топливной смеси, что недопустимо. Ситуация усугубляется тем, что даже если сразу расслоения не произойдет, резкие перепады температуры могут привести к появлению в топливной системе водяного конденсата. При низких температурах он замерзает и приводит к забивке топливопроводов, фильтров и др. Влага также способствует появлению коррозии. Таким образом, для районов с резко континентальным климатом спирто-бензиновые смеси могут оказаться непригодными. Нельзя забывать и об огромном парке устаревшей техники, которая не только эксплуатируется, но и выпускается в России. Для нее топлива с высоким содержанием биокомпонента непригодны. Топлива с высоким содержанием этанола не годятся для России и по другой причине.

Несмотря на упомянутые недостатки, работа по созданию спиртовых топлив в России велась и ведётся. Ещё в 1990-е гг. "АвтоВАЗ" одобрил использование топлив, содержащих до 5 % этанола в качестве добавки, повышающей октановое число. А в 2004 г. был принят ГОСТ Р 522012004 на спиртосодержащие моторные топлива "бензанолы", в которых доля этанола составляет 5-10 %. Впрочем, подобные топлива так и не были запущены в широкое производство. В качестве октаноповышающей добавки привлекательнее оказались эфиры, прежде всего, МТБЭ. Они не так склонны к поглощению воды, к тому же, при использовании этанола наверняка придётся столкнуться с необходимостью соблюдать правила оборота спиртосодержащей продукции и печально известной ЕГАИС. К тому же, ГОСТ не указывает, что спиртовая добавка обязательно должна быть биологического происхождения, поэтому изготовители наверняка предпочтут более дешёвый синтетический спирт, получаемый из нефтяного сырья. Стандартов на биодизельное топливо в России пока нет, и продавать его на заправках не спешат. Тем не менее, в стороне от мировых тенденций Россия не остаётся: во-первых, с биодизелем экспериментируют учёные и конструкторы, а, во-вторых, производство топлива из растительного сырья потихоньку налаживается: завод в Армавире в Ростовской области планирует построить компания "Русбиодизель", правда, ориентировано предприятие будет поначалу на экспорт. Внутри страны пионерами по внедрению биотоплив, по всей видимости, станут крупные города, где особенно строги требования к выхлопу автотранспорта. Организация производства биотоплив в России, пусть даже на экспорт, полезна и с точки зрения развития сельского хозяйства. Уже сейчас этанольный бум в США привел к росту цен на кукурузу, а в юго-восточной Азии озабочены вырубкой лесов под плантации для производства пальмового масла, из которого потом делают биодизельное топливо. Так что выгоду из бума на биотоплива при желании смогут извлечь и в России.

15.19. Отходы лесопромышленного комплекса – топливо для теплоэлектростанций

Потенциальные возможности России по производству электроэнергии из биомассы (отходы АПК и ЛПК), рассчитанные Департаментом развития ВИЭ РЭА Минэнерго в 2011-12 годах, изложены в таблице, составляют только по 4 Федеральным округам Европейской части России 42969 МВт общей мощности или количество электростанций по 10 МВт – 4620.

ТЕПЛОВАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ НА ДРЕВЕСНОМ ТОПЛИВЕ [15–42].

Наиболее эффективным направлением промышленного использования древесины и древесных отходов является их использование в качестве источника энергии. Тепловая и электрическая энергия, выработанная с использованием древесного топлива, соответственно в 1,5 и 2 раза дешевле покупной. Это подтверждается и практикой. На предприятии «Харовсклеспром» холдинговой компании «Вологодские лесопромышленники», себестоимость электрической энергии, вырабатываемой на собственной ТЭС, работающей с 1961 года, составляет 0,79 руб./кВт. ч, тепловой – 488 руб./Гкал. Таким образом, имеется реальная возможность превращения неликвидной дровяной древесины и древесных отходов в один из наиболее высоколиквидных видов продукции – энергию. Эту позицию подтверждает и мировой опыт: энергетика на древесном топливе получила распространение в самых развитых странах, включая США. В настоящее время в западной части Финляндии на территории целлюлозно– бумажного комбината UPM-Kymmene построена самая крупная в мире электростанция на биомассе (лесосечных отходах) мощностью – 550 МВт. Электростанция рассчитана на ежегодное потребление 1,5 млн. плотных м³ древесины. Производство тепловой и электрической энергии с использованием древесного топлива предлагается осуществлять по схеме «паровой котел – паровой турбогенератор», получившей наиболее широкое распространение в мире. Разработана технология, позволяющая почти в два раза снизить затраты на производство топливной щепы из заведомо дровяных деревьев. По сравнению с действующей технологией трудозатраты на производство щепы из целых деревьев сокращаются примерно на 30 %. Все основное оборудование линии производится российскими заводами. Разработано оборудование для механизированного склада топлива. Склад топлива включает оборудование по подаче топлива в склад, распределению его по территории склада и подачи в котлы. Конструкция технологического оборудования позволяет строить склады широкого диапазона емкости и производительности.

Рис. 15–28. Тепловая электростанция на древесном угле.

Для нормальной работы паровых турбин необходим пар стабильных параметров. Поэтому выполняется работа по созданию топочного устройства для российских котлов, позволяющего эффективно сжигать топливо высокой влажности. [43]. Россия занимает седьмое место по вывозке деловой древесины после США (500 млн. м³), Китая (более 300 млн. м³), Индии (300 млн. м³), Бразилии (280 млн. м³), Индонезии (200 млн. м³) и Канады (около 200 млн. м³).[15–43]. В последние годы расчетная лесосека составила примерно 500 млн. м³ (по хвойным породам – 300 млн. м³), а реально использовано было от 33 % до 18 % (против 49 %– 54 % в 80-х гг. – при СССР).

Общие потери древесины по всей природно-продуктовой вертикали (цепочке) составляют не менее 1/3 от объемов заготавливаемого леса.

Таблица. 15-1

Потенциальное количество электростанций на лесной биомассе, отходах деревообработки по регионам РФ

15.20. Автотракторная техника на генераторном газе

Ранее, из-за дефицита бензина, автомобили и тракторы переводились на генераторный газ. В настоящее время практически все грузовые автомобили и трактора работают на дизельных двигателях, основными из которых являются ЯМЗ-236 и ЯМЗ-238. Но эти двигатели уже модернизированы нами для работы на газовом топливе – природном газе или сжиженном газе (пропан-бутан) и нет проблемы по переводу их на генераторный газ, по опыту прежних работ в этом направлении в СССР.

На автомобили и тракторы устанавливаются более мощные и компактные газогенераторы, оснащённые современными способами и аппаратами очистки газа вместе с модернизированными на газовое топливо современными двигателями.

Данная работа не имеет технических трудностей и может быть выполнена нами за непродолжительное время.

15.21. Классификация газогенераторов и их конструкции [15–44]

Газогенераторы классифицируются:

• по роду процесса – газогенераторы для получения воздушного газа, водяного газа, смешанного газа;

• по характеру слоя – газогенераторы с плотным слоем, со взвешенным слоем, с «кипящим» слоем;

• по давлению, при котором протекает газогенераторный процесс, – атмосферные газогенераторы, газогенераторы высокого давления;

• по степени механизации процесса – немеханизированные газогенераторы, полумеханизированные и механизированные.[15–44].

Взвешенный слой топлива создается в газогенераторах, предназначенных для газификации мелкозернистого топлива. Такой слой располагается в конической части газогенератора, причем крупные частицы должны витать в узкой части конуса, а мелкие – в широкой. Таким образом, частицы сепарируются в слое. В действительности наблюдается поступательно-возвратное движение частиц, т. е. происходит некоторое перемешивание слоя. «Кипящий» слой наблюдается при скоростях потока, выходящих за пределы устойчивости плотного слоя. «Кипение» связано с раздвижкой частиц топлива, что увеличивает объем слоя в 1,5–3,0 раза. Движение частиц топлива (обычно мелких – от 2 до 12 мм) напоминает движение кипящей жидкости, почему такой слой и получил название «кипящего».

В полумеханизированных газогенераторах вращающиеся колосниковые решетки осуществляют равномерное и непрерывное удаление шлаков без нарушения процесса газообразования. Ввиду этого удельная производительность и общая тепловая мощность газогенераторов с механизированным удалением шлаков практически в 1,5–2,5 раза больше газогенераторов с ручным обслуживанием (при прочих равных условиях). Качество газа и к. п. д. таких газогенераторов также значительно выше.

Газогенератор с механизированным золоудалением характеризуется наличием чугунной колосниковой решетки, укрепленной на чугунной чаше (поддоне), которая приводится во вращение червячным механизмом. Примером такой конструкции может служить газогенератор Гипромеза. Поддон вращается на опорных роликах (в других газогенераторах вращение поддона иногда осуществляется на стальных шарах). Медленное вращение колосниковой решетки (0,2–2 об/ч) обеспечивает автоматическую ломку шлака и его удаление из чаши через гидравлический затвор, для чего служит шлакосбрасыватель. Газогенератор снабжен пароводяной рубашкой, исключающей налипание шлаков к внутренней поверхности шахты. Пароводяная рубашка соединена трубопроводами с паросборником. Вода кипит в рубашке, и образующиеся пузырьки пара поднимаются вверх и сепарируются в паросборнике. Таким образом, пароводяная рубашка, связанная с паросборником, по существу представляет собой паровой котел с естественной циркуляцией, встроенный в газогенератор. Пар давлением 1,2–1,6 атм., вырабатываемый в рубашке, используется для увлажнения дутьевого воздуха газогенератора. Пароводяная рубашка питается умягченной водой от общезаводской химической водоочистки, предназначенной для подготовки питательной воды паровых котлов. Пароводяная рубашка снабжена контрольными лючками. Загрузка топлива, его шуровка и пиковка производятся вручную, вследствие чего, несмотря на механизированное шлакоудаление, генератор называется полумеханизированным.

Механизированные генераторы. В конструкции Гипромеза механизировано только шлакоудаление. Однако при обслуживании газогенераторов необходимо производить и другие трудоемкие работы-шуровку, разрыхление и выравнивание верхнего слоя топлива. Имеются газогенераторы, в которых эти операции механизированы. Топливо в такой генератор загружается непрерывно механическим питателем. Для разравнивания и рыхления верхнего слоя топлива имеется качающийся механический лом, бороздящий своим концом поверхность слоя. Так как при этом происходит также и вращение шахты, то конец лома, качаясь, разрыхляет всю поверхность слоя. Внизу газогенератора имеется вращающийся поддон с колосниковой решеткой. Он может вращаться вместе с шахтой, однако можно вращать шахту и затормозить поддон. Кроме описанного газогенератора, имеются механизированные газогенераторы с механическими граблями для шуровки и разравнивания слоя топлива и др.

Газогенераторы для топлив с высокой влажностью. Для увеличения продолжительности пребывания влажного топлива (древесина, торф при влажности > 30–35 %) в зонах подсушки и сухой перегонки устраивают газогенераторы с высокой шахтой. Верхняя, более узкая часть шахты называется швельшахтой. Общая высота слоя топлива составляет около 7 м. В таких газогенераторах можно газифицировать топливо с влажностью до 45–50 %. Газ при этом получается хорошего качества, первичная смола не разлагается, и из нее можно получать ряд ценных веществ. Пар давлением 1,2–1,6 атм., вырабатываемый в рубашке, используется для увлажнения дутьевого воздуха газогенератора. Пароводяная рубашка питается умягченной водой от общезаводской химической водоочистки, предназначенной для подготовки питательной воды паровых котлов. Пароводяная рубашка снабжена контрольными лючками. Загрузка топлива, его шуровка и пиковка производятся вручную, вследствие чего, несмотря на механизированное шлакоудаление, генератор называется полумеханизированным.

15.22.Технологические схемы газогенераторных установок [15–44]

Технологическая схема получения горячего генераторного газа представлена на рис. 33; в ней осуществляется сухая очистка газа.

В тепловом отношении горячий газ выгоднее холодного, так как при потреблении его имеется возможность использовать физическое тепло газа. Кроме того, горячий газ несет с собой большое количество конденсирующихся горючих веществ (смол, скипидара, фенолов и т. д.), которые увеличивают тепловую ценность газа. Недостатком схемы горячего газа является ограниченность радиуса подачи газа потребителю, так как при большой длине газопроводов возможность использования физического тепла газа практически отсутствует. Кроме того, горячий газ подается в сеть при небольшом давлении (20–50 мм вод. ст.), а следовательно, и с небольшими скоростями (4–8 м/сек); поэтому газопроводы получаются громоздкими, и для их ''изготовления требуется большое количество металла. На рис. 34 показана принципиальная схема установки газогенераторной станции горячего газа с газодувкой, служащей для повышения давления газа в газопроводе. В целях обеспечения надежности работы газодувки температуру газа перед ней следует понижать до 300 °C (путем установки трубчатого котла-утилизатора, пар которого может быть использован для газификации или на стороне). Эту схему возможно осуществить лишь при топливах, не выделяющих смолу, к которым относятся донецкие антрациты и некоторые сорта тощих углей, так как при смолистых влажных топливах (дрова, торф, бурые угли) газопроводы и поверхность котла-утилизатора будут загрязняться смолой.

Рис. 15–29. Промышленная схема получения горючего газа.

1– Газогенератор, 12– Циклон, 3-Газопроводк потребителю, 4-Воздуходувка, 5-Паропровод, 6-Смеситель, 7-Паровоздушная смесь, 8-Свеча в атмосферу.

Схема получения холодного газа из бессмольных топлив.

Бессмольный газ может быть получен при газификации антрацита и коксика или топлив, дающих смолу при газификации их в обращенных или двухзонных газогенераторах. Если в газе содержится очень мало смолы, то задача обработки газа чаще всего сводится к очистке его от пыли, охлаждению в целях освобождения от влаги и компрессии до необходимого давления. Наиболее рациональной является схема: газогенератор – пылеотделитель – котел-утилизатор – скруббер – газодувка – каплеуловитель. Эта схема получается путем добавления в схему, изображённую на рис. 2, скруббера между котлом-утилизатором и газодувкой и каплеуловителя после газодувки.

Рис. 15–30. Схема получения горючего газа с газодувкой. 1-Газогенератор, 2-Циклон, 3-Котел-утилизатор, 4-Газодувка, 5-Газопровод к потребителям, 6– Воздуходувка, 7-Смеситель, 8-Паровоздушная смесь, 9-Свеча в атмосферу.

Схема без использования физического тепла газа показана на рис. 15–35. Газ из газогенератора поступает к стояку-охладителю (грубому очистителю), в котором промывкой водой из газа удаляется унос и пыль. Далее газ поступает в скруббер, где окончательно охлаждается и освобождается от влаги. Обычно газ охлаждают до температуры 25–45 °C. Из скруббера газ проходит через каплеуловитель, улавливающий взвешенные капельки воды, засасывается газодувкой и нагнетается в газопровод, идущий к потребителю. При необходимости тонкой очистки газа от пыли после газодувки устанавливается электрофильтр. Вода, необходимая для охлаждения, подается в стояки-охладители и скрубберы насосами. Грязная вода осветляется и отводится в водоемы или в канализацию. В тех случаях, когда расход воды велик, а подача свежей воды ограничена, устраивается оборотный (замкнутый) цикл воды, как это показано на рис. 15–35. Отработанная грязная вода собирается в отстойниках, где осветляется и отчасти охлаждается. Осветленная вода забирается насосами и подается для охлаждения в градирню или в бассейн с разбрызгивающими соплами, после чего при помощи насоса она снова подается в стояки и скрубберы. Вследствие потерь воды из цикла из-за испарения ее в атмосферу и утечки необходима добавка в систему свежей воды. Шлам, образующийся в отстойниках и других сборниках грязной воды, периодически удаляется. Для очистки газов от сероводорода сооружается специальная установка для сероочистки. При газификации топлив, дающих смолу, применяется схема, изображенная на рис. 15–35. Отличительной особенностью ее является наличие специальной аппаратуры очистки газа от смолы, а именно электрофильтров или дезинтеграторов. Для наиболее эффективной работы, смолоочистителей температура газа перед ними должна быть на 10–15 °C выше точки росы для газа, чтобы предотвратить конденсацию в них влаги и все же обеспечить достаточную конденсацию смолы и малый объем газа. Газ из газогенераторов направляется в стояки-охладители, в которых при промывке водой температура его понижается до 80–90 °C.

Рис. 15–31. Схема установки для получения холодного газа из бессмольных топлив. 1-Газогенератор, 2-Стояк-охладитель, 3– Скруббер, 4-Каплеуловитель, 5-Газодувка, 6-Вентилятор, 7-Градирня, 8-Отстойник-фильтр, 9-Насосы для воды.

Рис. 15–32. Схема установки для получения газа из топлив, дающих смолу. 1-Газогенератор, 2-Стояк охладительной ступени, 3-Коллектор сырого газа, 4-Газопровод к электрическим фильтрам, 5-Электрофильтр, 6-Газопровод к скруббкерам, 7-Трехступенчатый скруббер, 8-Коллектор очищенного газа, 9-Газодувка, 10-Каплеуловитель, 11-Газопровод к потребителю, 12-Воздушный вентилятор, 13-Воздухопровод к газогенераторам, 14-Паровая магистраль низкого давления, 15-Паросборник, 16-Смеситель пара и воздуха.

Одновременно в стояках происходит осаждение части смолы и пыли. Затем газ поступает в смолоотделитель и далее в скруббер (чаще всего трехступенчатый), где окончательно охлаждается и освобождается от влаги и летучих фракций смолы; после этого он всасывается газодувкой, которая сжимает его до нужного давления и нагнетает в сеть. Для улавливания капелек воды после газодувки устанавливаются каплеуловители. В нижней части трехступенчатого скруббера производится насыщение дутьевого воздуха водяными парами путем орошения воздуха горячей водой, поступающей из верхней (газовой) части скруббера. Описанная схема рациональна при применении газогенераторов со швель-шахтами для торфа или древесной щепы, в которых смола получается не разложенной, маловязкой, а унос, пыли относительно мал.

15.23. Потенциальные возможности России по созданию электростанций на отходах ЛПК, АПК и торфа

Потенциальные возможности России по проитзводству электроэнергии из биомассы (отходы АПК и ЛПК), рассчитанные Департаментом развития ВИЭ РЭА Минэнерго в 2011-12 годах, изложены в таблице, составляют только по 4 Федеральным округам Европейской части России 42969 МВт общей мощности или количество электростанций по 10 МВт – 4620.

Таблица. 15-2

Распределение видов биосырья и их энергоемкость по регионам России

(На период 2011 г.)

Таблица. 15-3

Потенциальное количество электростанций и общие мощности на отходах АПК по регионам Российской Федерации

Таблица. 15-4

Потенциальное количество электростанций на Торфе по Регионам РФ (из разведанных и оцененных запасов)

15.24. Двигатель внутреннего сгорания, работающий на воде [15–40]

Двигатель внутреннего сгорания, работающей на воде, был разработан в 1994 году изобретателем В.С. Кащеевым. (Рис. 15–37). Двигателя внутреннего сгорания на воде включает цилиндр 1, в котором размещен поршень 2, связанный, например, кривошипно-шатунным механизмом с коленчатым валом двигателя (на 15–37 не показаны). Цилиндр 1 снабжен головкой 3, образующей совместно со стенками цилиндра 1 и днищем поршня 2 камеру сгорания 4. Подпоршневая полость 5 сообщена с атмосферой. В головке 3 цилиндра установлены:

• впускной клапан 6, сообщающий камеру сгорания 4 с атмосферой при движении поршня 2 от верхней мертвой точки к нижней и приводимый, например, от распределительного вала двигателя (на фиг. не показан);

• обратные клапаны 7, обеспечивающие выхлоп в атмосферу продуктов из камеры сгорания 4 и герметизирующие камеру после осуществления выхлопа.

Российский изобретатель М. Весенгириев предложил использовать в качестве устройства, разлагающего воду на кислород и водород обычный поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС). Существующие двигатели внутреннего сгорания можно заставить работать на обычной воде с помощью электродов вольтовой дуги.

Камера двигателя сгорания идеально подходит для всех видов воздействия на воду, вызывающих ее диссоциацию и последующее образование рабочей смеси, ее воспламенение и утилизацию выделившейся энергии.

Рис. 15–33. Схема ДВС В.С. Кащеева в разрезе.

Камера сгорания 4 выполнена по крайней мере с одной предкамерой 8, в которой установлен приводимый, например, от распределительного вала клапан 9 подачи топливной смеси и свеча зажигания 10. Предпочтительно предкамеру 8 (или предкамеры) выполнить в боковой стенке цилиндра 1 над поршнем при его расположении в нижней мертвой точке.

Для этого предлогается использовать четырехтактный ДВС. Он содержит один цилиндр с жидкостной системой охлаждения, поршень и головку цилиндра, образующие камеру сгорания, выпускной клапан, систему подачи электролита (водного раствора электролита) и систему зажигания. Система подачи электролита в цилиндр выполнена в виде плунжерного насоса высокого давления и форсунки с кавитатором (местное сужение канала). Причем насос высокого давления либо кинематически, либо через блок управления связан с кривошипно-шатунным механизмом двигателя.

Система зажигания выполнена в виде электродов и вольтовой дуги, установленных в камере сгорания. Зазор между ними можно регулировать, а ток на них идет от прерывателя-распределителя, также кинематически или через блок управления связанного с кривошипношатунным механизмом.

Перед пуском двигателя в работу бак заправляют электролитом (например, водным раствором едкого натра). Регулируя катод, устанавливают зазор между электродами. И, включив зажигание, на электроды подают постоянный ток. Затем стартером раскручивают вал двигателя.

Поршень от верхней мертвой точки (ВМТ) перемещается к нижней мертвой точке (НМТ). Выпускной клапан закрыт. В цилиндре создается разрежение. Насос высокого давления забирает из электролитного бака цикловую дозу электролита и через форсунку с кавитатором подает ее в цилиндр. В кавитаторе за счет повышения скорости и падения давления до критического значения происходит частичная диссоциация воды и тончайшее распыление капелек электролита. Затем в камере сгорания за счет протекания постоянного электрического тока через электролит происходит дополнительная, уже электролитическая диссоциация.

Поршень от НМТ перемещается к ВМТ – такт сжатия. Объем, занимаемый рабочей смесью, уменьшается, а ее температура возрастает: теперь идет уже термическая диссоциация. Третий такт – рабочий ход. Электрод пружиной и кулачко-водораспределительным валом (кинематически либо через блок управления связанный с кривошипношатунным механизмом) перемещается до соприкосновения с электродом, и зажигается вольтова дуга. Под воздействием ее тепла рабочая смесь в камере сгорания окончательно диссоциирует и воспламеняется. Расширяющиеся газы перемещают поршень от ВМТ к НМТ. Еще до прихода поршня к НМТ прерыватель-распределитель размыкает контакты, на короткое время прерывает подачу постоянного тока на электроды вольтовой дуги и тушит ее. Затем контакты прерывателя-распределителя вновь замыкаются, и постоянный ток опять поступает на электроды.

И, наконец, четвертый такт – выпуск. Поршень перемещается вверх от НМТ к ВМТ. Выпускной клапан открывает выпускное окно, и цилиндр освобождается от отработавших продуктов. В дальнейшем процесс работы двигателя беспрерывно повторяется. При этом цилиндр и головка цилиндра охлаждаются системой охлаждения двигателя. Таким образом, старый-новый ДВС может работать на воде.

15.25. Генератор синтез-газа – первый шаг к водородной энергетике [15–41]

В России разработана технология повышения технических качеств ДВС с использованием добавок водорода к воздушно-бензиновой смеси. Водород получают в смеси синтез-газа.

Чем ценен водород, так это возможностью перевода двигателя в более экономичные режимы: либо на обедненной смеси с коэффициентом избытка воздуха до 1,7, как у лучших дизельных двигателей, но без побочных явлений дизелей в виде больших выбросов сажи и КОх, либо в режим с рециркуляцией части дымных газов.

Если существующие искровые ДВС автомобилей, оснащенные трехкомпонентными нейтрализаторами, обеспечивают хорошие экологические характеристики за счет работы в неэкономичном стехиометрическом режиме с коэффициентом избытка воздуха, равном 1,0, то добавки водорода улучшают экологию с одновременным переводом двигателя в более экономичный режим.

Добавки водорода или водородсодержащего газа в двигатель без изменения режима его работы могут привести только к улучшению качества сгорания и, как следствие, к улучшению экологических показателей.

Источником водородной смеси стал синтез-газ, получаемый газогенератором, расположенном на борту автомобиля.

Генератор синтез-газа при массе 7 кг реактор занимает объем 5 л, производительность – до 25 м³/ч синтез-газа, время запуска – 15 с, температура газов в реакторе – 900 °C. Срок службы пористого никельсодержащего катализатора составляет более 1000 ч. Происходящую реакцию парциального окисления топлива, или воздушной конверсии, можно описать формулой

SH₄ + S(O₂ + 3,76N₂) = 2H₂ + CO + 1,88N₂

Состав газа на выходе из реактора: H₂ = 32…35 %, СО = 16…18 %, остальное – N₂. Смесь водорода и монооксида углерода и является инициирующей добавкой, улучшающей сгорание углеводородного топлива. По своему физико-химическому воздействию на процесс сгорания добавка синтез-газа равносильна добавке чистого водорода. Кроме того, так как реакция протекает при высокой температуре, а теплообменник реактора соединен с системой охлаждения двигателя, зимой каталитический реактор может выполнять функции пускового подогревателя.

На скорости до 40 км/ч автомобиль может идти на синтез-газе, при повышении скорости микропроцессорная система управления уменьшает содержание водорода, на скорости свыше 80 км/ч полностью переводит работу двигателя на природный газ. Аналогичным образом двигатель может работать на смеси бензина с синтез-газом, однако качество бензина, состав которого на всех заправках разный, приводит к резкому усложнению схемы генератора синтез-газа, к тому же выход водорода из бензина не самый лучший.

Испытания, в том числе пробег «Голубой коридор», показали экологические преимущества автомобиля с генератором синтез-газа перед автомобилями, работающими на природном газе. В частности, выбросы NOX были на два порядка ниже и составляли единицы ppm, при этом на автомобиле отсутствовал нейтрализатор отработавших газов. Следует обратить внимание, что максимальный экологический эффект достигается на низких оборотах двигателя, т. е. генератор синтез-газа наиболее эффективен именно в городском режиме движения. На трассе, где скорость позволяет двигателю работать в оптимальном режиме и необходимость в инициирующей добавке водорода отпадает, микропроцессорная система полностью переключает двигатель на питание природным газом. Таким образом, нам удалось избежать эффекта потери эффективности на скорости свыше 60 км/ч, который наблюдается у автомобилей на топливных элементах.

15.26. Водородная энергетика в России [15–45]

В 2003 компания «Норильский никель» и Российская академия наук подписали соглашение о ведении научно-исследовательских работ в сфере водородной энергетики. «Норильский никель» вложил в исследования 40 млн. долларов.

В 2005 «Норильский никель» основал инновационную компанию «Новые энергетические проекты», задачей которой является разработка и внедрение топливных элементов.

В 2006 «Норильский никель» приобрел контрольный пакет американской инновационной компании Plug Power, являющейся одним из лидеров в сфере разработок, связанных с водородной энергетикой.

Предполагается, что на основе российских и американских разработок с 2008 начнётся производство водородных энергетических установок в России. Глава «Норильского никеля» Михаил Прохоров заявил в феврале 2007 года, что компания вложила в разработку водородных установок $70 млн. и уже есть «не просто лабораторные, а действующие образцы», на внедрение которых уйдёт несколько лет. Начало промышленной реализации «водородного проекта», по его словам, намечено на 2008 год.

Литература

15-1.Отчет РЭА о биоэнергетике в России 2012.pdf – Международная…www.bioin-temational.ru.

15-2. Жорес Алферов: Россию спасет альтернативная энергетика www.svpressa.ru.

15-3.Басков В.Н., Панцхава Е.С., Россия потенциальный мировой производитель моторного топлива из древесины для ДВС и авиации., Энергия, № 10, 2012, стр. 26–33.

15-4.Мусин М.М. Управление интересами. М. 2005. Управление экономическими интересами. doc umk.oirgteu.ru.

15-5.Развитие топливно-энергетического комплекса как условие., эффективного развития Востока России… books.google.com.

15-6.Атлас биологического разнообразия лесов Европейской России и сопредельных территорий., www.biodat.ru.

15-7.Андрей Белоусов объявил "ультиматум" экономике РФ. Уже не министр, решили наблюдатели., NEWSru.com.

15-8.Курсовая: географии лесной промышленности российской федерации., referat-kursovaya.repetitor.info.

15-9.Распределение запасов древесины по регионам России., www.geoglobus.ru.

15-10.Лесопромышленный комплекс Деревоперерабатывающее., prodcarton.narod.ru.

15-11. Состояние и развитие лесопромышленного комплекса России., www. uchus.info.

15-12.О переработке древесных отходов в северо-западном регионе., www.stra.teg.ru.

15-13. Энергетическое использование древесных отходов как основа., www.technologywood.ru.

15-14.Лесопромышленный комплекс – Торгово-промышленная палата… www.tpprf.ru.

15-15.Воронков, 2000., ref.rushkolnik.ru.

15-16.Русский лес: пеллеты, биотопливо, косметика – и никакого кругляка www.eifgaz.ru.

15-17.Химико-лесной комплекс России., www.polnaja-

jenciklopedija.ru.

15-18. Целлюлоза., ru.wikipedia.org.

15-19.Химико-лесной комплекс России., www.polnaja-

jenciklopedija.ru.

15-20.Обзор российского рынка целлюлозы. Система ММЦ., www.marketcenter.ru.

15-21.ЛИГНИН., википедия., ru.wikipedia.org.

15-22.Оборудование для газификации древесных отходов и сельскохозяйственных отходов для получения синтетического газа и выработки электроэнергии., c-a-m.narod.ru.

15-23. ЗАО Технопарк Кременки имени Президента РАН Княгини Дашковой., www.company.iqinst.ru.

15-24.Активация сразу древесины(не угля) (Углежоги)., www. bioenergy-spb.narod.ru.

15-25.Развитие лесного сектора., www.lpklesopil.ru.

15-26.Кипящий слой по-русски., www.globaledge.ru.

15-27.Биоэтанол, производство биоэтанола, технология производства биоэтанола. www.agrogold.ru.

15-28.Отходы целлюлозного производства и их применение – Мебель www.mebelcompass.ru.

15-29.ОАО «Корпорация «Биотехнологии» – Информационный сайт города Тулун., www.web-tulun.ru.

15-30.Диметиловый эфир. Надежды конструкторов, водителей и., www.os1.ru.

15-31. Организация производства биодизельного топлива на базе ОАО ПХ www.eco-res.ru.

15-32.Жидкое моторное биотопливо Pellets.ru – Статьи. Жидкое моторное биотопливо www.pellets.ru.

15-33. Биодизельное топливо из соломы – Экологическая группа., www.ekolog.irks.ru.

15-34. МИНИ-ЗАВОД ШАХА., www.potram.ru.

15-35. Получение левулиновой кислоты из отходов растительного сырья. nioch.nsc.ru.

15-36.Немков В.В. (ООО «Эконефтегаз»)., www.combienergy.ru.

15-37.Персональный сайт – РМ-Экология – механизация., www.rm-eco.ru.

15-38. Адаптика., www.adaptika.ru.

15-39. «Форд» сядет на диету., www.rg.ru.

15-40.Двигатели внутреннего сгорания на основе воды., www.o8ode.ru.

15-41.Генератор синтез-газа – первый шаг к водородной энергетике., www.os1.ru

15-42. Тепловые электростанции на древесном топливе., -ЭнергоСовет. гц, www.energosovet.ru.

15-43. Использование лесных ресурсов., www.geoglobus.ru.

15-44.Газогенераторы, классификация их и их конструкции., www.suslovm.narod.ru.

15-45.Водородная энергетика России., ru.wikipedia.org.

15-46. Энергетика, Энергостратегия, нефть, бюджет, доходы, инвестиции., www.rosbalt.ru.

15-47. В.А. Морозов, директор ООО «ТРИВИМ Лтд», г. Саров, vmfs@bk.ru.

Глава 16. Технические характеристики, международный опыт и целесообразные объемы создания электростанций на основе использования биомассы в РФ

16.1. Введение

Мощным стимулом к развитию биоэнергетики послужили:

1. Мировой энергетический кризис 1972–1974 годов;

2. Повышение глобальной температуры на Земном шаре из-за увеличивающегося парникового эффекта [16-1].

Одна тонна биомассы (с. в.) эквивалентна 0,5 т у.т.

Вклад биомассы в 2001 году в мировую энергетику составил 1,1–1,2 млрд тонн нефтяного эквивалента (н. э.), или 11 % от общего производства энергии в мире, равного 10 млрд тонн н. э. По оценкам, к 2040 году этот показатель достигнет 3,21 млрд тонн н. э., или 23,8 % [16-2, 16-3].

Рис. 16-1 Использование биомассы в качестве источника энергии в мире [16-4].

Европейские страны активно развивают производство электроэнергии из разнообразных источников биомассы, и, в первую очередь, из древесных отходов. [16-6]. В 1999 г. В эксплуатации находилось до 28 таких станций, перерабатывающих до 4.1 млн. тонн/год таких отходов. В 2002 г. В эксплуатации находилось 313 станций. В 2009 г. их численность была доведена до 511 станций.

В настоящее время в мире насчитывается почти 2000 электростанций на биомассе с общей установленной мощностью 22,5 ГВт, которые находятся в эксплуатации более чем в 40 странах мира. Европа – регион, где биомасса используется наиболее широко, особенно в скандинавских странах, таких как Финляндия и Швеция, более богатыми на лесные ресурсы. Германия также активно поддерживает развитие этого направления в своей стране и делает ставку на развитие био-электростанций невысоких мощностей. Сегодня в ЕС насчитывается более чем 1000 биоэлектростанций. За последние 5 лет было введено в эксплуатацию почти 800 таких электростанций с общей мощностью более 8700 МВт. К 2015 году еще 900 электростанций планируется к вводу.

Инвестиции в строительство таких станций к 2015 г. вырастут с € 12200 млн. до € 15500 млн. в год.

Главной причиной такого бума являются льготные тарифы на энергию получаемую из биомассы. Почти все системы поддержки финансируются за счет потребителей электроэнергии. Это делает их сравнительно независимыми от государственных бюджетов и, следовательно, финансового кризиса. Рост цен на ископаемое топливо и введение CO₂ сертификатов также вносят свой вклад в повышение конкурентоспособности производство электроэнергии из биомассы.

Современная мировая наука и промышленность предлагают следующие альтернативные источники топлива и для производства электрической энергии: отходы лесопроизводства и деревообработки, твердые бытовые отходы городов, торф, органические отходы сельскохозяйственного производства, генераторный газ, синтез-газ, биогаз, свалочный газ мусорных полигонов, специально выращиваемые энергетические плантации.

За пределами Европы, большинство станций работающих на биомассе расположены в Индии, Китае и Бразилии. Китай и Индия активно поддерживают производство электроэнергии из биомассы. В Бразилии около 400 электростанций для выработки электроэнергии используют местные источники. В США и Канаде введены несколько, но достаточно крупных электростанций на биомассе.

Большинство электростанций мира по производимой мощности составляют менее 100 МВт. Основной проблемой мощных станций на биомассе является источники сырья. Так, станция мощностью 350 МВт (как например в Великобритании) требует миллионы тонн сырья в год, поэтому для их обслуживания необходимы большие запасы сырья. Как правило, преимущества развития электростанций на биомассе обсуждают страны с богатыми лесными ресурсами. Румыния, Болгария, да и Великобритания отдают предпочтение строительству крупных электростанций. Финляндия с огромными лесными площадями, уже производит большую часть электроэнергии из биомассы.

Список 9 крупнейших электростанций на биомассе:

1) Порт Talbots, Великобритания. Мощность 350 МВт. Планируется к строительству. Это будет самая большая станция по производству энергии биомассы. Станция будет использовать импортное топливо из Канады и США.

2) Teesdies, Великобритания. Мощность 295 МВт. В процессе строительства. Эксплуатация планируется с конца 2012 года.

3) Alholmens, Финляндии. Мощность 240 МВт. Может работать как на биомассе, так и на угле. Станция использует местные ресурсы.

4) Порт Бристоль, Великобритания. Мощность 150 МВт. Здание должно быть завершено к 2014 году.

5) Wisapower, Финляндия. Мощность 125 МВт.

6) KuaVo, Финляндии, Мощность 125 МВт.

7) Lieth, Шотландия. Мощность 100 МВт. В процессе строительства.

8) Simmering, Вена. Мощность 66 МВт. Использование древесины в качестве топлива. В настоящее время крупнейшая станция в Европе.

9) Pecs, Венгрия. Общая мощность 65 МВт.

Энергичный использование твердой биомассы, таких как дерево будет расти в большей степени, чем когда-либо прежде в ближайшие годы. В настоящее время более 2200 биомассы электростанции функционируют во всем мире. Они имеют общую мощность около 32 000 мегаватт (МВт). Только в Европе насчитывается более 1100 активных биомассы электростанции. Еще 130 угольных электростанций совместно Incinerate биомассы.

ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПРЯМЫМ СЖИГАНИЕМ.

На рисунках 16-2 представлен ряд европейских электростанций, использующих в качестве топлива: древесину, солому, сельскохозяйственные отходы, мощностью от 1.6 до 60 мВт и их краткие технические характеристики. [16-7].

Электростанции на Биомассе в Европе: Бельгия, Северная Ирландия, Англия, Швейцария, Австрия, Португалия, Венгрия, Испания, Шотландия.(Рис. 16-2)

Амель, Бельгия

Конфигурация: 1 X 5.3

МВт ТЭЦ, 2007

Топливо: древесина

Северная Ирландия

Конфигурация: 1 X 2.7

МВт ТЭЦ, 2005

Топливо: древесина

Glanford, Англия

Конфигурация: 1 X 13,5

МВт 1993

Топливо: MBM, биомасса

Kleind?ttingen

Швейцария

Конфигурация: 1 х 1,6

МВт ТЭЦ 2003

Топливо: древесина

Линц Миттэ Австрия

Конфигурация: 1 X 8,9

МВт ТЭЦ 2005

Топливо: древесина

Mortagua Португалия

Конфигурация: 1 X 9 МВт

1999

Топливо: древесина

Pecs Венгрия

Конфигурация: 2 X 35, 2 х

65 МВт 1961–1965 гг

Топливо: дерево, природный газ

Стивенс Croft

в Шотландии

Конфигурация: 1 X 52 МВт

2007

Топливо: древесина

Sanguesa Испания

Конфигурация: 1 X 30 МВт

2002

Топливо: солома

ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ НА БИОМАССА В ГЕРМАНИИ

(Рис. 16-3) [16-3].

Baden-Baden С. Н.

Конфигурация: 1 X 5.2

МВт ТЭЦ 2006

Топливо: лесное дерево

Bischofferode С. Н.

Конфигурация: 1 X 20 МВт

2006

Топливо: лесное дерево

BVA Hagen-Kabel NW

Конфигурация: 1 X 20 МВт

ТЭЦ 2005

Топливо: древесина

Bischofferode С. Н.

Конфигурация: 1 X 20 МВт

2005

Топливо: лесное дерево

Flohr RP

CHP Конфигурация: 1 X

7.5 МВт ТЭЦ 2005

Топливо: дерево, природный газ

Grossaitingen Y

Конфигурация: 1 X 5.1

МВт ТЭЦ 2002

Топливо: древесина

Ilmenau TH

Конфигурация: 1 X 5.1

МВт ТЭЦ 2005

Топливо: древесина

K?nigs-Wusterhausen BB

Конфигурация: 1 X 20 МВт

2003

Топливо: древесина

Lunen TH

Конфигурация: 1 X 20 МВт

2006

Топливо: древесина

Machlin М. В.

Конфигурация: 1 X 10 МВт

2003

Топливо: древесина

Neustrelitz М. В.

Конфигурация: 1 X 6.5

МВт ТЭЦ 2006

Топливо: древесина

Silbitz TH

Конфигурация: 1 X 5.6

МВт 2002

Топливо: древесина

Ulm BW

Конфигурация: 1 X 9,6

МВт 2004

Топливо: древесина

Werl SL

Конфигурация: 1 X 500 кВ

ТЭЦ 2003

Топливо: древесина

Wicker GmbH Конфигурация: 1 X 14.8 МВт 2003

Топливо: древесина

ЭЛЕКТРОСТАНЦИИ НА БИОМАССЕ В ДАНИИ (Рис. 16-4)[16-8].

Энергетическая программа Дании "Энергия 21", принятая в 1996 г., предполагает, что возобновляемая энергия а к 2030 г. превысит 50-процентный уровень в общей структуре топлив, используемых при производстве тепловой и электрической энергии. [16-9].

Наиболее значительным источником возобновляемой энергии является и будет биомасса. Вклад биомассы составлял 61 ПДж в 1996 г., и он должен увеличиться до 145 ПДж в 2030 г. Прирост использования биомассы до 2005 г. был достигнут, прежде всего, путем увеличения использования соломы и древесной щепы на котельных.

В Программе предусмотрено увеличение использования соломы и древесной щепы на ТЭЦ, а также переоборудование до максимально возможной степени блочных отопительных установок мощностью свыше 250 кВт в сельских районах с переводом их с ископаемого топлива на биомассу.

В соответствии с обзором Энергетического Агентства Дании, посвященным производству энергии в 1997 г., древесина покрывала приблизительно 21 тыс. ТДж, что составляет 28 % общего производства энергии из возобновляемых источников и эквивалентно приблизительно 500 тыс. т. нефти.

Будущие поставки энергетической древесины должны быть обеспечены, в том числе, за счет лесонасаждения… До 2025 г. в Дании планируется увеличение площадей леса на 5 тыс. га в год.

В Мобьерге около Хольстебро построена ТЭЦ, работающая на твердых бытовых отходах (ТБО), соломе, древесной щепе и природном газе. Комбинированное использование возобновляемых и ископаемых видов топлива позволяет увеличить общую энергетическую мощность ТЭЦ без расточительного использования газа. Электрическая мощность составляет 30 МВт, тепловая – 67 МДж/с. Система оборудована накопительным баком для теплосетей объемом приблизительно 5000 м³. Тепло подается в теплосети городов Хольстебро и Стрюер.

ТЭЦ в Вейене является специальной системой с комбинированным топливом. Паровой котел может сжигать ТБО, солому, древесную щепу или измельченный уголь. Электрическая мощность – 3,1 МВт, тепловая – 9 МДж/с тепла при производстве пара 15,7 т/ч с параметрами 50 бар и 425 °C.

В Маснедё была введена в эксплуатацию в 1995 г. ТЭЦ, работающая на биомассе. Котел спроектирован для сжигания соломы с выработкой 20 % поставляемой энергии при совместном с соломой сжигании древесной щепы. Ежегодное потребление составляет до 40 тыс. т. соломы и 5-10 тыс. т. древесной щепы. Электрическая мощность ТЭЦ – 9,5 МВт, тепловая – 20,8 МДж/с.

Крупнейший в Дании котел для электрической станции, сжигающий исключительно биотопливо, был введен в действие в 1998 г. в Энстеде. Система состоит из двух котлов: котла, сжигающего солому, производящего пар с температурой 470 °C, и котла, сжигающего древесную щепу, в котором пар из соломосжигающего котла перегревается до 542 °C. Перегретый пар передается в систему высокого давления (200 бар) угольного блока 3 ТЭЦ в Энстеде.

Ежегодное потребление топлива составляет 120 тыс. т. соломы и 30 тыс. т. древесной щепы, что эквивалентно мощности 95,2 МДж/с. Тепловая мощность котла на биотопливе составляет 88 МВт, из которых 39,7 МВт составляет вырабатываемая электроэнергия. Таким образом, котел для биомассы значительно больше аналогичных котлов на децентрализованных ТЭЦ. КПД выработки электроэнергии (брутто) составляет приблизительно 41 %.

Рис. 16-6. Электростанции на биомассе в Дании.

Grenaa Grenaa Дания

Конфигурация: 1 X 17.9

МВт 1992

Топливо: солома, уголь

Mabjerg Mabjerg Дания

Конфигурация: 1 X 28 МВт

1993

Топливо: солома, дерево, газ,

Maribo-Sakskobing Дания

Конфигурация: 1 X 9 МВт

1999

Топливо: солома

Masnedo Masnedo Дания

Конфигурация: 1 X 8.3

МВт 1996

Топливо: солома

Электростанции на биомассе в Финляндии [16–10] (Рис. 16-5)

Hovinsaari

Финляндия

Конфигурация: 1 X 17 МВт

Операция: 1996

Топливо: древесина, торф, уголь

Jakobstad

Финляндия

Конфигурация: 1 X 240

МВт

Операция: 2001

Топливо: древесина, торф, уголь

Kokkola Финляндия

Конфигурация: 1 X 20 МВт

ТЭЦ

Операция: 2002

Топливо: древесина, торф

Кюми

Финляндия

Конфигурация: 1 X 15

МВт, 1 X 27,5 МВт

Операция: 1964, 1977

Топливо: черного щелока

M Myllykoski Финляндия

Конфигурация: 1 X 12

МВт, 1 X 21 МВт

Операция: 2001

Топливо: дерево, природный газ

Савонлинна-3

Финляндия

Конфигурация: 1 X 17 МВт

ТЭЦ

Операция: 2004

Топливо: древесина

Wisapower Финляндия

Конфигурация: 1 X 150 МВт

ТЭЦ

Операция: 2004

Топливо: черного щелока

Электростанции на биомассе в Швеции [11] (Рис. 6).

Eldaran V?sterg?tland

Конфигурация: 1 X 2 МВт

ТЭЦ

Операция: 2007

Топливо: древесина,

Handelo Ostergotland

Конфигурация: 1 X 11

МВт, 1 X 89 МВт

Операция: 1983

Топливо: древесина,

уголь, мусор, покрышки

Lextorp Vastergotland

Конфигурация: 1 х 3,5 МВт

ТЭЦ

Операция: 2006

Топливо: отходы древесины

Ryaverket Вестра Геталанд

Конфигурация: 1 X 20 МВт,

1 X 25 МВт

Операция: 1965 (позднее

восстановлены)

Топливо: древесина

Vallviks G?vleborg

Конфигурация: 1 X 28 МВт

Операция: 2007

Топливо: древесина

Электростанции на биомассе в Италии [12] (Рис. 16-7).

Кротоне Kr

Конфигурация: 2 х 10 МВт

Операция: 2001

Топливо: древесина, биомасса

Cutro Kr

Конфигурация: 1 X 16,5

МВт

Операция: 2003

Топливо: древесина

Сан-Марко

Конфигурация: 2 х 10 МВт

Операция: 2002

Топливо: древесина, биомасса

Strongoli Kr

Конфигурация: 1 X 40 МВт

Операция: 2003

Топливо: древесина, биомасса

Терни TR

Конфигурация: 1 X 10 МВт

Операция: 2002

Топливо: древесина, RDF

БРИТАНИЯ УТВЕРЖДАЕТ 65-МВТ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЮ НА БИОМАССЕ [13].

Британское правительство одобрило проект на строительство 65 мегаватт ной электростанции в Lincolnshire. использующую древесные отходы, для обеспечения электроэнергией 100 000 домов.

Рис. 16-8. План размещения МГТ Teesside электростанции около доковв Teesport [14].

Одна из крупнейших в мире электростанций, использующей древесину, (300 мВт) строится неподалеку от Мидлсбро для обеспечения электроэнергией 600000 домов.

Этот объект может функционировать с 2012 года, и будет выполнять лишь 5,5 % от национального использования возобновляемых источников энергии.

ФРАНЦИЯ

Компании Solvay и Dalkia будут совместно производить как электроэнергию (20–30 МВт) и тепло (50 т / ч пара) в результате сжигания биомассы и других отходов.

Энергии будет использоваться для химической промышленности и производства пластмасс, причем излишки электроэнергии будут продаваться государству. Это подразделение будет потреблять 280000 тонн биомассы в год: 45 % – отходы сельского хозяйства и пищевой переработки, 4 % от роста специализированных видов и 51 % от отходов лесопроизводства.

ВЕНГРИЯ

Компания DALKIA создает в Венгрии крупнейшую электростанцию на биомассе. [15].

Станция строится близь города Печ. Мощность станции – 313 МВт электрической и 182 МВт тепловой.

ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ИЗ БИОМАССЫ В США.

Большая часть энергии в США в настоящее время производится за счет ископаемых видов топлива. Но имеются и строятся электростанции, использующие возобновляемое топливо, в частности, различные виды биомассы. Общая мощность таких станций составляет 2700 мегаватт экологически чистой электроэнергии… В отличие от других видов возобновляемых ресурсов, эти отходы могут использоваться круглосуточно и круглогодично… Как результат, эти объекты производят более 17 млрд. киловаттчасов электроэнергии в год, достаточно для обеспечения до 2,3 миллиона американских домов. Это составляет почти 20 процентов от всех возобновляемых источников электроэнергии в Соединенных Штатах. [16].

Рис. 16-9 Схема производства электроэнергии при сжигании органических отходов (США)

Электростанции на биомассе в Калифорнии [17]. (Рис. 16–10). проекта в Портсмут. Проект предполагает замену угля, 50-мегаваттным котлом на древесном топливе..

Бурни CA

Конфигурация: 1 X 28,4

МВт ТЭЦ

Операция: 1989

Топливо: древесина

Colmac CA

Конфигурация: 1 X 45 МВт

Операция: 1992

Топливо: древесина, отходы сельского хозяйства

Delano CA

Конфигурация: 1 X 31.8

МВт, 1 X 25,3 МВт

Операция: 1990-1993

Топливо: сельскохозяйственные отходы древесины

Dinuba CA

Конфигурация: 11,5 МВт

Операция: 1985

Топливо: древесина

Fairhaven CA

Конфигурация: 1 X 18 МВт

Операция: 1986

Топливо: дерево, природный газ

Hayfork СА

Конфигурация: 1 X 7.5

МВт

Операция: 1986

Топливо: древесина

Honey Lake CA

электростанция

Конфигурация: 1 X 36 МВт

Операция: 1989

Топливо: древесина

Martell CA

Технологии

Конфигурация: 1 X 20 МВт

Операция: 1989

Топливо: древесина

Mesquite Lake CA

Конфигурация: 1 X 17.9

МВт

Операция: 1987

Топливо: биомасса, навоз

Mt Lassen CA

Конфигурация: 1 X 11.4

МВт

Операция: 1985

Топливо: древесина

Oroville CA

Конфигурация: 2 X 9 МВт

Операция: 1985

Топливо: древесина

Rio Bravo Fresno CA

Конфигурация: 1 X 28 МВт

Операция: 1988

Топливо: древесина

Rio Bravo Rocklin CA

Конфигурация: 1 X 28 МВт

Операция: 1989

Топливо: древесина

Scotia CA

Конфигурация: 2 X 12.5

МВт ТЭЦ

Операция: 1988-1989

Топливо: древесина, биомасса

Sierra Power CA

Конфигурация: 1 X 7.5

МВт ТЭЦ

Операция: 1986

Топливо: древесина, сельскохозяйственные отходы, снос дерева

Signal Shasta CA

Конфигурация: 3 x 18 МВт

Операция: 1989

Топливо: древесина, биомасса

SPI Anderson CA

Конфигурация: 1 X 4 МВт

ТЭЦ

Операция: 1998

Топливо: древесина

SPI Lincoln CA

Конфигурация: 1 X 18,4

МВт ТЭЦ

Операция: 2005

Топливо: древесина

Tracy CA

Конфигурация: 1 X 23 МВт

Операция: 1990

Топливо: древесина

Wadham CA

Конфигурация: 1 X 30 МВт

Операция: 1989

Топливо: оболочек риса,

рисовой соломы

ПОЛУЧЕНИЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПРИ СЖИГАНИИ СИН-ГАЗА (ГЕНЕРАТОРНОГО ГАЗА)

ФРАНЦИЯ.

В местечке Ля Рошетт, Франция несколькими европейскими, канадскими и американскими компаниями будет построена система электростанций, использующих технологию газификации древесины. [18].

Завод будет функционировать с 2010 года и будет генерировать 40 млн. киловатт-часов электроэнергии..

Производство электроэнергии из свалочного (лендфилл) – газа и ТБО.

ГЕРМАНИЯ.

Немецкая фирма Pro 2 Anlagentechnik GmbH создала и реализует блочную электростанцию, работающую на лендфилл-газе, биогазе, шахтном газе, мощностью от 200 до 2000 кВт электрических [19].

Рис. 16–11. Внешний вид электростанции.

Рис. 16–12. Двигатель Электрогенератора, работающий на лендфилл-газе, биогазе, шахтном газе.

Рис. 16–13. Блок-модуль мощностью 200 кВт е

КИТАЙ.

В г. Нанкине провинции Цзянсу с 2001 г. эксплуатируется электростанция мощностью 5.2 мВт, использующая лендфилл-газ.[20].

– LANDFILL GAS

Рис. 16–14. Блочная электростанция в г. Нанкин.

ШОТЛАНДИЯ [21].

В Шотландии на одном из крупнейших мусорных полигонов эксплуатируется электростанция мощностью 3.8 мВт, использующая собираемый лендфилл-газ.

Штат ИНДИАНА (США) [22].

В южной Индиане в Кларк-Флойд ТБО работает электростанция на лендфилл-газе мощностью 2 мВт, обеспечивающая электроэнергией около 1200 домов.

Штат КАЛИФОРНИЯ [23].

Рис. 16–15. Электростанция мощностью 50 мВт э близь г. Лос-Анжелес, использующая лендфилл-газ.

По состоянию на 1995 год, Калифорния имеет 56 таких использующих свалочный газ объектов. Эти объекты имеют электрическую установленной мощностью около 246 мегаватт.

Производство электрической энергии из ТБО.

КАНАДА.

В Канаде появится самая эффективная в Северной Америке электростанция на бытовых отходах [24].

Рис. 16–16. Схема процессов переработки твердых бытовых отходов.

В Оттаве (Канада) построят первую в Северной Америке коммерчески эффективную электростанцию, использующую в качестве топлива бытовой мусор.

Электростанция представляет собой комплекс оборудования, позволяющий довести глубину переработки бытовых отходов до 99,8 %, и при этом получать различные вещества для вторичного использования, а также электроэнергию. Особенность комплекса в его высочайших экологических характеристиках, которые стали возможны за счет разложения токсичных соединений В ПЛАЗМОТРОНЕ.

Мощность станции 21 мВт (обеспечение 19000 домов электроэнергией), перерабатывает в сутки 400 тонн ТБО в сутки. Сжигание происходит в электроплазмотроне при t= 1200 °C, при которой смесь токсичных газов разлагается. В Северной Америке такой перерабатывающий комплекс появится впервые.

ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕНКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ИЗ БИОГАЗА

Ведущие эксперты США подсчитали, что только в результате переработки всех отходов крупного рогатого скота может быть получено от 2,4 до 3 % всей генерируемой электроэнергии в стране в дополнение к экологическим благам.

В провинции Альберта (Канада) 36000тн. навоза, получаемого за год от 36000 коров, используют для генерации до 3 МВт электрической мощности, что достаточно для собственных нужд установки и 2000 частных домов.

В Китае на птицефабрике запущена первая электростанция на биогазе [25].

В ходе реализации проекта планируется сократить уровень выбросов CO₂ в атмосферу, которые на данный момент составляют 95 тысяч тонн в год.

Мощность электростанции 9.5 МВт, мощность модуля – 700 кВт, Скорость поступления лэндфилл-газа (50 % метана) – 5500 куб. м/час)

На птицеферме содержится 3 миллиона кур, в результате чего ежедневно образуется 220 тонн компоста и 170 тонн сточных вод. Установленная мощность ТЭС составляет более 2 МВт. Вся вырабатываемая энергия – 14600 МВт-ч./год используется для технологических нужд птицефабрики, тепловая энергия – как для отопления фермы, так и для стимулирования процесса ферментации.

В Индии в 2007 году пущен первый завод по переработке 235 тн. навоза в сутки, получаемого от 1400 голов крупного молочного рогатого скота. По проекту ряда мировых фирм из навоза получают чистый биометан, сжигаемый в дизельгенераторной установке с когенерацией 1 МВт электроэнергии и горячей воды. Часть энергии используется для собственных нужд завода, а избыток направляется в энергосистему района.

В ряде стран эксплуатируются установки, генерирующие 100 и выше кВт электроэнергии для более мелких ферм. Наряду с производством биогаза в установках анаэробного сбраживания, используемого на месте, практикуется (например, в Германии) технология получения более калорийного с высоким содержанием метана газа, излишки которого, направляются с места производства в магистральный трубопровод природного газа.

Первая в Пакистане электростанция, работающая на биогазе из отходов сахарного тростника, построена на базе газовых двигателей GE Energy Jenbacher [26].

Биогазовая электростанция, построенная в пакистанском городе Джанг (Jhang) компанией Shakarganj Mills Ltd., специализирующейся на переработке сахарного тростника, запущена в коммерческую эксплуатацию в тот самый период, когда страна изыскивает возможности для ликвидации дефицита 3 500 МВт энергии. Новая станция будет вырабатывать достаточно энергии для снабжения электричеством более 50 000 пакистанских домов.

НЕМЕЦКАЯ биоэнергетическая компания Nawaro Bioenergie АГ завершает создание крупнейших в мире интегрированных биогазовые электростанции в Klarsee, Penkun, в Германии Мекленбург-Западная Померания. [27].

Комплекс будет генерировать 20 мегаватт электроэнергии при сжигании биогаза, получаемого ферметацией кукурузного силоса и отходов животноводства Комплекс использует 40 Газовых двигателей Jenbacher, которые будут генерировать 20 мегаватт электроэнергии и 22 МВт в тепловой мощностью… 20MW вывода достаточно для удовлетворения энергетических потребностей города 50000 человек..

Биогаз является наиболее быстро растущим сектором возобновляемых источников энергии в Европе, производство электроэнергии из биогаза растет гораздо более быстрыми темпами, чем из других видов биомасса, ветровой и солнечной секторов в последние годы.

Более 2500 MW были установлены на сегодняшний день в Европе.

Германия лидирует в этой области производства электроэнергии из биогаза, суммарная мощность 3500 установок и станций равна 1100 МВт. Немецкая ассоциация полагает, что к 2020 году мощность биогазовых станций возрастет до 9500 мВт.

В г. Bruck (Германия) в 2003 году пущена в эксплуатацию электростанция, использующая биогаз.

Ежегодное производство электроэнергии – 12.000.000 кВтч.

Ежегодное производство тепла – 15.000.000 кВтч.

2 Метантенка по 3000 куб. м каждый.

2 Когенерационных установки – Каждая 836 кВт [28].

Фирма EPURON (Гамбург) реализует одну из самых крупных биогазовых установок в Бранденбурге) мощностью 1.79 мегаватт электрических. [29].

Рис. 16–17. Комплекс биогазовых электростанций в Klarsee.

Установку производит биогаз при брожении 24500 тонн жидкого навоза свиней и 31500 тонн силоса из кукурузы в год. Шесть с половиной миллионов кубических метров биогаза будет производиться ежегодно в трех бродильных чанах с общей мощностью 7500 кубических метров. Биогаз т затем преобразуется в 13,7 миллиона киловатт-часов электроэнергии… Ежегодная электрическая мощность достаточна для питания примерно 4000 домашних хозяйств.

В Восточной Германии имеет богатый источник биомассы для получения биоэнергии… В Бранденбурге Только около 40 биогазовых установок с мощностью от 25 МВт в настоящее время находятся в эксплуатации

ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПРИ СЖИГАНИИ ОТХОДОВ С/Х ПРОИЗВОДСТВА (ПТИЦЕФАБРИК).

Крупнейшие в мире электростанции по сжиганию куриного помета введены в эксплуатацию в Великобритании [30].

Для крупных птицефабрик (от 250 тысяч и более) технологии прямого сжигания куриного помета более эффективны, чем использовать это сырье в биогазовых реакторах.

Новые высокорентабельные технологии в промышленном масштабе впервые были апробированы в Англии. В 1992 году в этой стране была построена первая электростанция на основе технологии сжигания крупных партий куриного помета в смеси с твердыми органическими отходами мощностью 12,7 МВт, обслуживающая электроэнергией до 22 тысяч домов; в 1993 году вторая – мощностью 13,5 МВт; в 1998 году третья – мощностью 38,5 МВт, перерабатывающая до 450 тысяч тонн отходов в год и обслуживающая до 93 тысяч домов. Для снижения влажности поступающего помета до величин, позволяющих использовать пароэлектрогенераторы, британские энергетики добавляют в помет твердые бытовые отходы городов, растительные остатки – солому, стебли и древесные опилки, а также торф.

Таблица. 16-1

Производство электрической энергии при сжигании куриного помета(Англия)

В Голландии недавно введен в действие завод-электростанция по переработке 440000 тонн куриного помёта в год, примерно трети годового выхода по стране. Мощность станции 36,5 МВт Годовая выработка электроэнергии 270 млн. кВт-ч. для 90000 домашних хозяйств. Получаемая в результате сжигания помёта зола богата фосфором и калием продаётся в качестве удобрения Стоимость проекта 150 млн. евро. Были решены две важные задачи. Во-первых, проблема переработки значительных объёмов отходов – источников выброса парниковых газов и токсического загрязнения грунтовых вод. Во-вторых, сокращена потребность в импорте топлива для производства энергии. [31].

5. ПРОИЗВОДСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ИЗ ТОРФА.

ИРЛАНДИЯ. Западная Offaly Пит-теплоэлектростанция

Рис. 16–18. Западная Offaly Пит-теплоэлектростанция Shannonbridge [32].

Одна из трех, сжигающих торф, мощность станций 150 мВт. Использует 1 млн. тонн торфа в год. Примерно 5 % электроэнергии в Ирландии производится при сжигании торфа.[32, 33].

Финляндия классифицирует торф как медленно возобновляемую энергетическую биомассу в отличие от позиции Европейского союза и Межправительственной группы экспертов по изменению климата, которые классифицируют торфа строго, как ископаемое топливо.

Рис. 16–19. Электростанция на торфе в местечке Оулу, Финляндия.[34].

Как показано выше, ведущие индустриальные страны Европы, США, Канада и такие экономически активно развивающиеся страны, как Китай и индия, активно внедряют в национальную энергетику крупномасштабные электростанции, использующие различные виды биомассы и соответствующие технологии.

Особый интерес для российской большой энергетики представляют результаты США – страны, которая потребляет более одного млрд. тонн нефти в год.

Литература

16-1. Панцхава Е.С., Березин И.В., Техническая биоэнергетика// Биотехнология, 1986, № 2, с. 1–9, № 3, С. 8–15

16-2. ПанцхаваЕ.С., Пожарнов В.А., Россия – потенциальный крупнейший поставщик биотоплив на мировой рынок энергоносителей// Энергия, 2006, № 6, С. 30–39.

16-3.Панцхава Е.С..Пожарнов В.А., Майоров Н.И., Школа И.И., Преобразование энергии биомассы. Опыт России, // Теплоэнергетика, 1996, № 5, С. 64–69.

16-4.Энергия Биомасса. www.ecomuseum.kz.

16-5.Энергия древесных отходов, flextech.ru/recept/utilization

16-6.Matthew Barker, Waste-to-Energy fried up for growth., Waste Management world,2003, N4

P.29–32/

16-7. Биомасса в Европе. pelleta.com.ua/page-o480.html

16-8. Biomass Power Plants in Denmark. www.industcards.com/biomass-denmark

16-9. Использование древесины для производства энергии в Дании www.esco-ecosys.narod.ru.

16-10. Biomass Power Plants in Finland.www.industcards.com/biomass-finland

16-11. Biomass Power Plants in Sweden. Biomass Power Plants in Swedenwww.industcards.com/biomass-sweden.

16-12. BIOMASS-ITALY.www.industcards.com/biomass-italy.

16-13. Британия утверждает 65-МВт биомассе электростан-^.Mon Jun 16, 2008 16–12:28 PM BST

NewEnergyFocus.,23 february 2009

16-14. Биоэнергетика И Отходы Новости. Plans for ?400m wood-fired power plant onTeessi.

16-15. Dalkia Acquires Hungary's Largest Biomass Power Plant, 01 февраля 2007 – Пресс-релиз

16-16. Энергетика. Возобновляемые источники энергии. IWSA Nwes@Events.

16-17. BIOMASS-USA-CA. www.industcards.com/biomass-usa-ca.

16-18. Biomass power plants to be built in Europe.,Biomass magazine October 2008

16-19.Pro 22 AnlagentechnikGmbH, Renewables made in Germany, 2008, P. 44–45

16-20. Nanjing Shuige Landfill Gas Power., Plant saisenergy-club.com.

16-21. Landfill gas used to fuel a power station., ga-sunie.eldoc.ub.rug.nl.

16-22. New Landfill-Gas Facility to Provide Electricity for Southern Indiana Consumers

apps1.eere.energy.gov/state_energy_program/project_brief_detail.cf

m.

16-23. Landfill Gas Power Plants cta.ornl.gov/bedb/biopower.

16-24. В Канаде появится самая эффективная в Северной Америке электростанция на бытовых отходах., EnergyLand Info,17 February 2009.

16-25. В Китае на птицефабрике запущена первая электростанция на биогазе, Bellona,11|12 2009

16-26. Первая в Пакистане электростанция, работающая на биогазе из отходов сахарного тростника, построена на базе газовых двигателей GE Energy Jenbacher LENTA.RU: КАРМАННАЯ ВЕРСИЯ PDA.Lenta.ru: Бизнес: 2008/08/01 15:04:14

16-27. Germany's Nawaro Bioenergie builds world's largest biogas complex: 20 MW

Tuesday, July 10, 2007

16-28. Installation of a combined biogas heating and power plant sc.ises.org.

16-29. Archive 2007 EPURON implements one of the largest biogas installations in Brandenburg 30 January 2007

16-30. World’s Biggest Biomass Power Plant For The UK 2008–0421 10:19:56

16-31. Правительство решило экономить электроэнергию. 16 Февраля, 2009 года Беэр Шева

16-32. West Offaly Peat-Fired Power Station, Shannonbridge., near to Shannonbridge, Offaly, Ireland www.geograph.org.uk.

16-33. West Offaly Power Station., www.esb.ie

16-34. Peat.,en.wikipedia.org/wiki/Peat.

16-35. Применение торфа как топлива в энергетике Урала., www.minizavod.com.

16-36. Панцхава Е.С., Пожарнов В.А., Зысин Л.В., Фарберов В.Г., Шрамков В.М., Майоров Н.И., Школа И.И., Преобразование энергии биомассы. Опыт России., Теплоэнергетика, 1996, № 5.С.33–38.

16-37. Электростанции на древесных отходах, дровах, торфе, покрышках, угле и т. д., Энергетический Холдинг \"Гранд-

Престиж\"www.narashvat.m.

16-38. Впервые в Ростовской области РФ электроэнергию будут добывать из бытовых отходовwww.esco-ecosys.narod.r

16-39. Первая в России теплоэлектростанция, www.city-fm.ru

16-40. Многотопливные двигатели Российского производства и электростанции на их основе., www.306.ru

16-41.Панцхава Е.С., Эффективная Энергетики,2006, № 2, С. 30-

Часть вторая
Метаногенез. Теория и практика

Роль метаногенов в эволюции атмосферы, гидросферы, биосферы, образовании ископаемых углеводородов, современном образовании биометана и промышленное использование природного метаногенеза

Раздел первый
Метаногены – представители царства (домена) археа

Вода – это самое мягкое и самое слабое существо в мире, но в преодолении твердого и крепкого она непобедима, и на свете нет ей равного.

Дао Дэ Дзин

Глава 17. Введение

Великий русский ученый, лауреат Нобелевской премии, создатель теории цепных реакций, один из основоположников отечественной атомной физики академик Н.Н. Семенов был первым, кто определил необходимость развития «Солнечной энергетики», в том числе и энергетического использования биомассы в России [1].

Важное место в современной биоэнергетики занимают биогазовые технологии.

Интерес к производству биогаза, особенно, из органических отходов сельскохозяйственного производства и бытовых стоков существовал всегда (Китай – более 5 тысяч лет, Индия – более 2 тысяч лет). В последние 50–60 лет эта отрасль биоэнергетики активно развивалась во всем мире, как и по причине увеличивающихся потребностей в децентрализованном энерго– и теплоснабжении, так и в связи с разработкой новых прогрессивных технологий, опирающихся на достижения фундаментальных исследований в этой области, начатых еще в СССР в 50-ти десятые – 60-ти десятые годы ХХ столетия. [2].

Сельское население России, согласно последней переписи, составляет 39 миллионов человек. Для обеспечения этого количества сельского населения газообразным топливом (приготовление пищи, горячая вода, отопление 8 месяцев) потребуется в год до 14.2 млрд. куб. м.

Современное сельское хозяйство России потребляет в год 2 млн. т бензина и 4.8 млн. т дизельного топлива.

По многолетним исследованиям советских и российских специалистов 1 л бензина или д.т. может быть заменен 1 куб. м природного газа в сжатом состоянии. 1 куб. м пр. газа эквивалентен 2 куб. м биогаза.

Для нужд транспорта и с/х машин потребуется для замещения традиционного топлива до 17 млрд. куб. м биогаза, для всего АПК – 31.2 млрд. куб. м

Интерес к биогазу – проявляется в возрастающем количестве планирующихся и строящихся биогазовых установок, в заинтересованности все большего числа фермеров, коммунальных хозяйств, предприятий, политиков и частных хозяйств.

По мнению зарубежных экспертов и специалистов технология производства биогаза предоставляет шанс дешевой утилизации органических отходов агропромышленного комплекса и коммунально-бытового сектора в биогазовых установках и станциях с пользой для сельского и коммунального хозяйств. [3].

Образование биогаза или метана в природе – это довольно уникальное явление, существующее более 3-х млрд. лет, сыгравшее величайшую роль в эволюции биосферы, гидросферы, атмосферы, образовании ископаемых углеводородов на разных этапах эволюции Земли.

Замечательное свойство этого явления заключается в том, что образование биометана или биогаза осуществляет необычный, но широко распространенный природный достаточно устойчивый биоценоз факультативно– и строго анаэробных бактерий и археебактерий.

Уникальность этого биоценоза и его неприхотливость позволяют использовать его в широких промышленных масштабах для решения целого ряда глобальных проблем.

Особое место среди этих проблем занимают: 1) ЭКОЛОГИЯ; 2) ЭНЕРГЕТИКА; 3) АГРОХИМИЯ И СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО; 4) СОЦИАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ. [3].

Метан, образуемый метанобразующими бактериями – метаногена-ми, завершает сложнейшую цепочку анаэробной деструкции органических веществ растительного и животного происхождения. Деятельность этих древнейших, если не первых организмов, венчает этот процесс, и поэтому в значительной степени определяет и контролирует его.

Изучение этих организмов, и знание их физиологобиохимических особенностей могут помочь в разработке новых биогазовых технологий.

Глава 18. Метаногены

Метаногены – архебактерии древнейшие живые организмы на планете земля – продуценты самого энергоемкого носителя – Н2О.(Роль метаногенов в консервации водорода, образовании воды и эволюции гидросферы, биогенеза керогена и углеводородов)

18.1. История исследования биогенного метана

В 1764 году Бенджамин Франклин в своем письме Джозефу Пристли описал эксперимент, в ходе которого он смог поджечь поверхность мелкого заболоченного озера в Нью Джерси, США.

Первое научное обоснование образования воспламеняющихся газов в болотах и озерных отложениях дал Александр Вольта в 1776 г., установив наличие метана в болотном газе.

Английский физик Фарадей идентифицировал болотный газ как углеводород. Дальтоном в 1804 году описал химическую формулу метана.

Известный французский бактериолог Пастер в 1884 г. проводил испытания с биогазом, который он выделял из твердого навоза. Он впервые предложил использовать навоз с парижских конюшен для производства газа на освещение улиц.[3].

Свой вклад в изучение образования биогаза внесли и российские ученые. Влияние температуры на количество выделяемого газа изучил Попов в 1875 году. Он выяснил, что речные отложения начинают выделять биогаз при температуре около 6 °C, с увеличением температуры до 50 °C, количество выделяемого газа значительно увеличивалось, не меняясь по составу – 65 % метана: 30 % углекислого газа, 1 % сероводорода и незначительное количество азота, кислорода, водорода и закиси углерода. В 1881 году, начались опыты европейских ученых по использованию биогаза для обогрева помещений и освещения улиц. Начиная с 1895 года, уличные фонари в одном из районов города Эксетер снабжались газом, который получался в результате брожения сточных вод и собирался в закрытые емкости. Двумя годами позже появилось сообщение о получении биогаза в Бомбее. [2].

В 1897 г. в больнице для больных проказой г. Бомбей/Индия построили первую установку, газ которой использовали для освещения, а в 1907 г. для питания двигателя на производство электроэнергии. [3]. В Германии инженер с очистных сооружений Имхофф с 1906 г. на территории региона Рур начал систематическое строительство анаэробных, двухъярусных установок по очистке сточных вод, получивших название „эмшерский колодец”[3].

В начале XX века были продолжены исследования в области повышения количества биогаза путем увеличения температуры брожения. Немецкие ученые Имхофф и Бланк в 1914–1921 гг, запатентовали ряд нововведений, которые заключались во введении постоянного подогрева емкостей. В период Первой мировой войны началось распространение биогазовых установок по Европе, связанное с дефицитом топлива. Хозяйства, где имелись такие установки, находились в более благоприятных условиях, хотя установки были еще несовершенные и в них использовались далеко не оптимальные режимы.

Одним из важнейших научных шагов в истории развития биогазовых технологий являются успешные эксперименты Басвелла по комбинированию различных видов органических отходов с навозом в качестве сырья в 30-х годах XX столетия.

Исследования, проведенные в начале ХХ века выдающимся русским ученым В. Л Омелянским, а также позднее известными голландскими исследователями Ван Нилем, Клюйвером и Баркером показали, что процесс образования метана на поверхности Земли является биологическим процессом и осуществляется микроорганизмами в анаэробных условиях. Развивая эти идеи, известный русский микробиолог, член-корр. АН СССР С.И.Кузнецов и созданная им научная школа экспериментально обосновали, что процессы деструкции органических веществ до метана имеют широкое распространение в осадочных отложениях в настоящее время и что промышленные месторождения природного газа – продукт биологических процессов, протекавших ранее.

Достижения отечественных (В.Л. Омелянского, С.И. Кузнецова, В.Н. Букина и др.) и зарубежных (Ван-Ниля, Клюйвера, Баркера) исследователей позволили в начале 60-х годов в СССР сделать вывод о возможности промышленной биоконверсии биомассы в метан в масштабах, имеющих широкое народнохозяйственное значение.

На первом этапе реализации этой программы в качестве сырья для получения газообразного топлива – биогаза будут использоваться многочисленные органические отходы, далее специально выращиваемые энер-ге-тические культуры: например, топинамбур, сладкое сорго и т. д..

18.2. Природный метаногенез

Природный метаногенез – одна из стадий глобального цикла кругооборота углерода в природе, тесно связанного с биологической конверсией солнечной энергии.

Метан – конечный продукт сложной межвидовой системы переноса электрона, возникающего при расщеплении воды благодаря механизму фотосинтеза – первого этапа биоконверсии солнечной энергии:

2 СО₂ + 2 Н₂О -> 2(СН₂ О) + 2О₂ (1)

2(СН₂ О) -> СН₄ + СО₂ (2)

СО₂ + 2 Н₂О -> СН₄ + 2О₂ (3)

В идеальных условиях в метан может переходить до 25 % конвертируемой при фотосинтезе энергии Солнца.

Не имея доступа ни к кислороду, ни к другим, предпочтительным в энергетическом отношении акцепторам электронов (нитрат, сульфат, сера и др.) микроорганизмы вынуждены использовать для этой цели углерод органических веществ, что и приводит в конечном итоге к наиболее сильно восстановленному из существующих в природе углеродных соединений – метану. В то же время в качестве донора электронов микроорганизмы в этом процессе также используют, как правило, углеродводородную связь органических веществ, окисляя их до углекислого газа (второй важнейший компонент биогаза).

Образование метана в природе – бактериальный процесс, осуществляемый сложнейшим по видовому составу метаногенным консорциумом или биоценозом, который можно идеентифицировать как многокомпонентную бактериально-биохимическую систему, в которой разносторонние бактериальные процессы тесно связаны с функционированием свободных и иммобилизованных ферментов, коферментов или их систем.

Венцом этих процессов, которые делятся на несколько основных стадий, является деятельность истинных метаногенов.

1. Стадия бактериального гидролиза (расщепления) сложных биополимерных молекул (белков, липидов, полисахаридов и др.) на более простые олиго– и мономеры: аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.;

2. Стадия кислотогенной ферментации (брожения) образовавшихся мономеров до еще более простых веществ – низших кислот и спиртов, при этом образуются также углекислота и водород;

3. Ацетогенная стадия, на которой образуются непосредственные предшественники метана: ацетат, водород, углекислота;

4. Собственно метаногенная стадия, которая ведет к конечному продукту расщепления сложных органических веществ – метану.

Ключевой реакцией, определяющей скорость всего процесса, является реакция превращения водорода, диоксида углерода и ацетата в метан.

Деструкция органических веществ при метаногенезе осуществляется как многоступенчатый процесс, в котором углерод-углеродные связи постепенно разрушаются под действием различных групп микроорганизмов (Рис 18-1). Рудольф Тауэр с соавт. в одном из обзоров 2008 г. приводит достаточно подробную схему участия биологического метана в глобальном обороте УГЛЕРОДА в современной биосфере. (Рис. 18-1)[4].

Рис. 18-1. Глобальный углеродный цикл Метана.

Непрерывная стрелки указывают реакции и пунктирные стрелки указывают диффузии и / или конвекции. В бескислородных средах (например, пресноводных отложениях, болота, рисовых полях, свалках и в кишечном тракте жвачных животных и термитов), примерно 1 гига (10¹⁵) тонна (Гт) метана (10¹⁵ г) является сформированной в год из ацетата, CO₂ и Н2 через метаболическую активность метаногенных архей. Почти то же самое количество метана выделяется в окружающую среду из метан гидратов. Из 2 Tt метана, который производится в год, ~ 0,6 Гт окисляется до CO₂ аэробными бактериями, ~ 1 GT окисляется анаэробными археями и ~ 0,4 Гт уходит в атмосферу. Другое количество 0,2 Гт в год выбрасывается в атмосферу из других источников: при утечке из газопроводов и сжигании биомассы. В атмосфере, большая часть метана подвергается фотоокислению в CO₂. Только 0,03 Гт в год удаляется из атмосферы аэробными бактериями, которые живут в почве и воде. Концентрация метана в тропосфере увеличилось за последние 100 лет с 0,9 до 1,8 части на миллион (промилле), который вызывает беспокойство, поскольку метан является мощным парниковым газом. [4].

Метаногены – уникальная группа бактерий, отнесенная по своим необычным свойствам к архебактериям– древнейшим бактериям, насчитывает более 34 рода и более 45 видов. Одна из особенностей – развитие бактерий при значениях ОВП среды ниже 300 мВ.

Глава 19. Таксономия и эволюция метаногенов

Рис. 19-1. Фотография Карла Везе.

Новый домен: В конце 1970-х, д-р Карл Везе (на фото выше слева), возглавивший исследования эволюционных отношений среди прокариот. Вместо физических символов, он опирался на РНК-последовательности, чтобы определить, насколько тесно были связаны эти микробы. Он обнаружил, что прокариоты на самом деле состоят из двух очень разных групп Бактерий, недавно признанной группы, которую он назвал Археи. Каждая из этих групп так же отличается от других, таких как Эукариоты. Эти три группы в настоящее время признаются как три различных ДОМЕНА жизни, как показано на рисунке рис 19-1.

Филогения Архей: филогения archaeans основана на молекулярных последовательностях в их ДНК. Анализ этих последовательностей показывает три различные групп внутри Археи.

Euryarcheota, вероятно, самый известный, в том числе много метан-продуцентов и соли любивых archaeans.

Crenarcheota включают те виды, которые живут при самых высоких температурах из любых известных живых существ, хотя широкий спектр подобных бактерий недавно был обнаружен, растущие в почве и воде при более умеренных температурах. Korarcheota известны только от их последовательности ДНК – больше ничего не известно о них, так как они еще только недавно были обнаружены.

В 1977 г. открытие К. Везе предопределило в течение 40 последующих лет масштабное изучение физиологии, биохимии и молекулярной биологии метаногенов, что позволило уточнить возможное биологическое время их возникновения и расцвета около 3 млрд лет назад и предположить их ведущую роль как в эволюции живого, так и в биогенезе воды и углеводородов в период архейского эона задолго до возникновения эпохи оксигенного фотосинтез и кислородного дыхания [5]. Знание сложнейшего механизма биологического синтеза метана метаногенами поможет в создании промышленной нанотехнологии производства экологически самого чистого топлива – водорода – из бесконечного низкомолекулярного источника энергии не углеродной природы – Н₂О.

Рис. 19-2. Три домена по К. Везе.

Ранняя Земля, как писал К. Везе, напоминала Венеру, и претерпела переход к ее нынешнему состоянию в значительной степени в результате эволюции метаногенного метаболизма. По его мнению, изначально никаких океанов не было; воды было очень мало и она находилась в связанном состоянии; видимый свет являлся основным источником энергии для предбиологической эволюции; метаногены – наиболее древние живые организмы, и эволюция Земли и всего живого обязана именно им. Генеалогический анализ этих организмов предлагает метаногенез в качестве одного из древнейших, если не самым древним, из биохимических процессов.

Данные, полученные за последние 40 лет, позволяют по-новому взглянуть на первые два миллиарда лет существования нашей планеты и роли метаногенов в эволюции живого и в биогенезе воды и углеводородов [6]. Метаногены – особая, самая древняя группа известных науке живых микросуществ, имеющих специфический обмен веществ, которым не обладают даже другие представители домена Археа. Они обитают в гиперанаэробных условиях (без доступа воздуха, окислительно-восстановительный потенциал Eh от -550 до -600), при рН среды от 4.0 до 9.0, влажности от 10 % до 99 %, температурах от -2 до +11 °CO, в воде от пресной до рассолов, при давлении от нормального до нескольких десятков атмосфер, обладают очень сложным механизмом получения энергии при биосинтезе молекулы метана, протекающем на цитоплазматической мембране.

Рис. 19-3. Филогения Архей

Рис 19-4. Methanopyrus kandlerien. [7]

Распространены в заболоченных местах, где они несут ответственность за болотный газ, в пищеварительном тракте животных, таких как жвачных животных и людей, где они несут ответственность за содержание метана в отрыжке у жвачных животных и метеоризм у людей. [8] в морских отложениях biomethanation как правило, ограничивается где сульфаты истощаются, ниже верхнего слоя. [9] Кроме того, население метаногенных архей играют незаменимую роль в анаэробной обработке сточных вод. [10] Другие экстремофилами, находятся в таких условиях, таких как горячие источники и подводных гидротермальных вентиляционные отверстия, а также в «твердой» оболочке земной коры, в километрах под поверхностью. Не следует путать с метанотрофами которые потребляют метан, а для их углерода и энергии требованиям.

Как правило, они не могут поддерживать напряжение кислорода в течение продолжительного времени. Тем не менее, Methanosarcina barkeri является исключением, так как обладает ферментом супероксиддисмутаза (СОД), и может прожить дольше, чем другие, в присутствии O2. [11] [12]

Морфологически эта группа разнообразна и разделена на несколько порядков и семейств. Для большинства известных метаногенов CO₂ является единственным источником углерода и конечным акцептором электронов при окислении H₂. Около 90 % использованной CO₂ восстанавливается в СЩ, что сопровождается синтезом АТФ (клеточной энергии химических связей), и только 10 % или менее включается в вещества клеток. Большинство современных исследователей, изучающих биологический метаногенез, придерживаются точки зрения К. Везе и относят метаногены к первым и древнейшим живым организмам на Земле [13]. На биологическое происхождение метана в архее указывает анализ изотопов углерода метана (-56 %о) в несущих жидких включениях в гидротермальных осадках возрастом 3.5 млрд лет из Пилбара кратона, Австралия [13]

Метаногены возникли более 3.5–4.0 млрд лет назад и основными субстратами для них были молекулярный водород и диоксид углерода, и закономерно возникает вопрос о происхождении этих газов в составе атмосферы в эпоху архея. Рассматриваются две гипотезы:

1. Источником водорода и углекислого газа для гипертермофильных (65-110 °C) метаногенов могли быть газы первобытной атмосферы, так как вода находилась в связанном состоянии.

2. Океан был достаточно глубоким, и гипертермофильные метаногены могли развиваться благодаря исходящим из мантии земли многочисленным газовым струям, содержащим водород и диоксид углерода (по аналогии с открытыми недавно в океанских впадинах “черными и белыми курильщиками”). При этом содержание в воде водорода и двуокиси углерода могло быть незначительным, и объемы образованного метана были бы не столь велики, чтобы оказать глобальное влияние на эволюцию атмосферы, гидросферы и т. д.

Большинство исследователей придерживаются первой гипотезы. Предполагается, что первичная атмосфера могла содержать до 61 % водорода, 21 % диоксида углерода и до 18 % гелия. Сдержание остальных газов: водяных паров, азота и др. было незначительным. За 1.5 млрд. лет по гипотезе Дж. Кастинга термофильные (50–60 °C) и гипертермофильные (65-110 °C) метаногены могли образовать до 31 т/м² метана и до 62 т/м² водяного пара (расчеты автора статьи), который после глобальной катастрофы и массовой гибели метаногенов в конце архея и охлаждении атмосферы превратился в воду, создав океан глубиной более 60 м. Таким образом, метаногены можно рассматривать как первые и основные продуценты воды на планете Земля. Если эти организмы превращали водород в воду в огромных масштабах, то нельзя ли, используя биохимические механизмы метаногенов и других анаэробных и фотосинтезирующих бактерий, осуществить обратную реакцию и получить молекулярный водород из воды?

ТАКСОНОМИЯ [7]

Метаногены обычно имеют кокковидную (сферические) форму или представлены палочковидными клетками. Есть более чем 50 описанных видов метаногенам, которые не образуют монофилетическую группу, хотя все метаногенам принадлежат царству археи. Это строго анаэробные организмы и не могут функционировать в аэробных условиях. Они очень чувствительны к наличию кислорода даже в следовых количествах.

Восстановление диоксида углерода в метан в присутствии водорода выражено следующим образом:

CO₂ + 4 H₂ -> CH + 2 H₂O

Образованием метана при восстановлении диоксида углерода водородом создает электрохимический градиент через клеточные мембраны и используется для генерирования АТФ через хемоосмос. В отличие от растений и водорослей, которые используют воду в качестве восстанавливающего агента.

Метаногены имеют полимер пептидогликан, который находится в клеточных стенках бактерий, но его нет в других представителях царства Ar-chaea. Некоторые метаногены имеют клеточные стенки, которые состоят из псевдопептидогликана.

Глава 20. Метаногены и экстремальные условия их развития

Метаногены играют жизненно важную экологическую роль в анаэробной среде, удаляя избыток водорода и продукты брожения, которые были произведены другими видами анаэробного метаболизма. Метаногены обычно развиваться в среде, в которой все акцепторов электронов, кроме CO₂ (таких как кислород, нитрат трехвалентного железа и сульфат) были истощены. В глубоких базальтовых породах вблизи середины океанических хребтов, они могут исмпользовать водород из реакций серпентинизации оливина, как это наблюдается в гидротермальных области Lost City.

Метаногены являются ключевыми агентами реминерализации органического углерода в континентальных отложениях маржи и других водных отложений с высокой скоростью седиментации и высоким осадком органического вещества. При определенных условиях давления и температуры биогенный метан может накапливаться в крупных залежах метангидратов, [14], которые составляют значительную долю органического углерода в осадках континентальной окраины и представляют собой ключевой резервуар мощного парникового газа. [15]

Метаногены были найдены в нескольких экстремальных условиях на Земле – погребены под километрами льда в Гренландии и живущих в жаркой, сухой почве пустыни. Они могут размножаться при температуре от 15 до 100 градусов по Цельсию. Они, как известно, являются наиболее распространенными архебактериями в глубоких подземных обитаниях. Микробы, образующие метан были найдены в образцах ледниковых кернов льда, извлеченных из глубины трех километров под Гренландией. [16]

В других исследованиях [17] также обнаружили метан в суровых условиях на Земле. Исследователи изучили десятки образцов почвы и пара из пяти различных образцов пустынь в штате Юта, Айдахо, Калифорнии в США, в Канаде и Чили. Из них в пяти образцах почвы и трех образцах газовой смеси из окрестностей исследований Марса и станции в пустыне Юта были обнаружены признаки жизнеспособных метаногенов. [18]

Некоторые ученые предположили, что присутствие метана в атмосфере Марса может свидетельствовать о природных марсианских метаногенах на этой планете. [19]

Тесно связано с метаном анаэробное окисление метана, который используется в качестве субстрата в сочетании с восстановлением сульфата и нитрата. [20] Большая часть метаногенов являются автотрофами, но имеются виды, которые разлагают CH₃ СООН и классифицируются как хемотрофы.

20.1. Сравнительная геномика и молекулярные характеристики

Сравнительный анализ генома привел к идентификации 32 белков, которые являются специфическими для метаногенов (также известные как Methanoarchaeota). Большинство из этих белков связанны с метаногенезом, и они могут служить в качестве потенциальных молекулярных маркеров для метаногенов. [20] Кроме того, 10 белков, обнаруженные во всех метаногенах, также выделены из Archaeoglobus, что позволяет предположить связь этих двух групп между собой. [20] В филогенетическом древе метаногены не являются монофилетическими, и они, как правило, разделены на три клана. [20], [21] Таким образом, наличие большого количества уникальных общих белков всеми метаногенами может быть связано с горизонтальной передачей гена. [20]

20.2. Ферментативный метаболизм

Хотя большинство морского биогенного метана является результатом восстановления двуокиси углерода (CO₂), небольшое количество образуется при брожении ацетата (CH 3 COO-). [22]

В ферментационном пути уксусная кислота подвергается реакции диспропорционирования с образованием метана и диоксида углерода: [23] [24]

CH₃COO^- + H⁺ -> CH₄ + CO₂ ?G° = -36 kJ/reaction

Это реакция диспропорционирования энзиматически катализируется. Один электрон переходит от карбонильной группы (электронный донор) карбоксильной группы к метильной группе (электронный акцептор) уксусной кислоты соответственно с образованием CO₂ и метана.

Археи, которые катаболизируют энергию ацетата называются ацето-трофиками или ацетикластиками. Метилотрофные архебактерии используют метилированные соединения, такие как метиламины, метанол и метантиол.

Домен архей в основном состоит из клеток, которые живут в экстремальных условиях. Они могут жить и в других местах, но, как правило, они там не обнаруживаются, потому что вне экстремальных условий они не могут конкурировать с другими организмами за источник электронов. Виды домена Archaea не ингибируются антибиотиками, отсутствие пептидогликана в клеточной стенке (в отличие от бактерий, которые имеют этот сахар / полипептидного соединения) и могут иметь разветвленную углеродную цепь в своих липидных мембранах, состоящих из фосфолипидного бислоя. Считается, что археи очень похожи на прокариоты, которые населяли Землю миллиарды лет назад. Считается также, что эукариоты произошли от архей, потому что они имеют много общих последовательностей мРНК, имеют схожие РНК-полимеразы, и имеют интроны. Полагают, что домен археи и бактерии разошлись друг от друга очень рано в истории, и складчатые мембраны, продуцированные эукариотическими клетками, отпочковались от археальной ветви примерно 1,7 миллиарда лет назад.

Существуют три основные группы архей: экстремальный галофилы, метаногенгы и гипертермофилы. (Рис 20-7., Рис 20-8.)[26].

Рис. 20-1. Филогенетическое древо расхождения развития трех «царств». [5 a]

Штаммы метаногенов

Methanobacterium bryantii

Methanobacterium formicum

Methanobrevibacter arboriphilicus

Methanobrevibacter gottschalkii

Methanobrevibacter ruminantium

Methanobrevibacter smithii

Methanocalculus chunghsingensis

Methanococcoides burtonii

Methanococcus aeolicus

Methanococcus deltae

Methanococcus jannaschii

Methanococcus maripaludis

Methanococcus vannielii

Methanocorpusculum labreanum

Рис. 20-2. Схема филогенетического древа расхождения трех «царств».[5а].

Methanoculleus bourgensis (Methanogenium olentangyi & Methanogenium bourgense)

Methanoculleus marisnigri

Methanofollis liminatans

Methanogenium cariaci

Methanogenium frigidum

Methanogenium organophilum

Methanogenium wolfei

Methanomicrobium mobile

Methanopyrus kandleri

Methanoregula boonei

Methanosaeta concilii

Methanosaeta thermophila

Methanosarcina acetivorans

Methanosarcina barkeri

Methanosarcina mazei

Methanosphaera stadtmanae

Methanospirillium hungatei

Methanothermobacter defluvii (Methanobacterium defluvii)

Methanothermobacter thermautotrophicus (Methanobacterium ther-moautotrophicum)

Methanothermobacter thermoflexus (Methanobacterium ther-

moflexum)

Methanothermobacter wolfei (Methanobacterium wolfei)

Methanothrix sochngenii

ТАКСОНОМИЯ ARCHEA[27]

Domain Archaea Woese, Kandler & Wheelis, 1990

Phylum I. Crenarchaeota Garrity & Holt, 2001

Class I. Thermoprotei Reysenbach, 2002

Order I. Thermoproteales Zillig & Stetter, 1982

Family I. Thermoproteaceae Zillig & Stetter, 1982

Genus I. Thermoproteus Zillig & Stetter, 1982

Genus II. Caldivirga Itoh, Suzuki, Sanchez & Nakase, 1999

Genus III. Pyrobaculum Huber, Kristjansson & Stetter, 1988

Genus IV. Thermocladium Itoh, Suzuki & Nakase, 1998

Genus V. Vulcanisaeta Itoh, Suzuki & Nakase, 2002

Family II. Thermofilaceae Burggraf, Huber & Stetter, 1997

Genus I. Thermofilum Zillig & Gierl, 1983

Order II. Caldisphaerales Garrity, Bell & Lilburn, 2003

Family I. Caldisphaeraceae Garrity, Bell & Lilburn, 2003

Genus I. Caldisphaera Itoh, Suzuki, Sanchez & Nakase, 2003

Order III. Desulfurococcales Huber & Stetter, 2002

Family I. Desulfurococcaceae Zillig & Stetter, 1983

Genus I. Desulfurococcus Zillig & Stetter, 1983

Genus II. Acidilobus Prokofeva, Miroshnichenko, Kostrikina, Chernyh, Kuznetsov, Tourova & Bonch-Osmolovskaya, 2000

Genus III. Aeropyrum Sako, Nomura, Uchida, Ishida, Morii, Koga, Hoaki & Maruyama, 1996

Genus IV. Ignicoccus Huber, Burggraf, Mayer, Wyschkony, Rachel & Stetter, 2000

Genus V. Ignisphaera Niederberger, G?tz, MacDonald, Ronimus & Morgan, 2006

Genus VI. Staphylothermus Stetter & Fiala, 1986 Genus VII. Stetteria Jochimsen, Peinemann-Simon, V?lker, St?ben, Botz, Stoffers, Dando & Thomm, 1998

Genus VIII. Sulfophobococcus Hensel, Matussek, Michalke, Tacke, Tindall, Kohlhoff, Siebers & Dielenschneider, 1997 Genus IX. Thermodicus Stetter, 2003

Genus X. Thermosphaera Huber, Dyba, Huber, Burggraf & Rachel, 1998

Family II. Pyrodictiaceae Burggraf, Huber & Stetter, 1997

Genus I. Pyrodictium Stetter, K?nig & Stackebrandt, 1984

Genus II. Hyperthermus Zillig, Holz & Wunderl, 1991

Genus III. Pyrolobus Bl?ch, Rachel, Burggraf, Hafenbradl, Jannasch & Stetter, 1999

Order IV. Sulfolobales Stetter, 1989

Family I. Sulfolobaceae Stetter, 1989

Genus I. Sulfolobus Brock, Brock, Belly & Weiss, 1972

Genus II. Acidianus Segerer, Neuner, Kristjansson & Stetter, 1986

Genus III. Metallosphaera Huber, Spinnler, Gambacorta & Stetter, 1989

Genus IV. Stygiolobus Segerer, Trincone, Gahrtz & Stetter, 1991

Genus V. Sulfurisphaera Kurosawa, Itoh, Iwai, Sugai, Uda, Kimura, Horiuchi & Itoh, 1998

Genus VI. Sulfurococcus G?1ovacheva, Val'Ekho-Roman & Troitskii, 1985

Phylum II. Euryarchaeota Garrity & Holt, 2001

Class I. Methanobacteria Boone, 2002

Order I. Methanobacteriales Balch & Wolfe, 1981

Family I. Methanobacteriaceae Barker, 1956

Genus I. Methanobacterium Kluyver & van Niel, 1936

Genus II. Methanobrevibacter Balch & Wolfe, 1981

Genus III. Methanosphaera Miller & Wolin, 1985

Genus IV. Methanothermobacter Wasserfallen, N?lling, Pfister, Reeve & Conway de Macario, 2000

Family II. Methanothermaceae Stetter, 1982

Genus I. Methanothermus Stetter, 1982

Class II. Methanococci Boone, 2002

Order I. Methanococcales Balch & Wolfe, 1981

Family I. Methanococcaceae Balch & Wolfe, 1981

Genus I. Methanococcus Kluyver & van Niel, 1936

Genus II. Methanothermococcus Whitman, 2002

Family II. Methanocaldococcaceae Whitman, Boone & Koga, 2002

Genus I. Methanocaldococcus Whitman, 2002

Genus II. Methanotorris Whitman, 2002

Class III. Methanomicrobia Garrity, Bell & Lilburn, 2003

Order I. Methanocellales Sakai, Imachi, Hanada, Ohashi, Harada & Kamagata, 2008

Family I. Methanocellaceae Sakai, Imachi, Hanada, Ohashi, Harada & Kamagata, 2008

Genus I. Methanocella Sakai, Imachi, Hanada, Ohashi, Harada & Kamagata, 2008

Order II. Methanomicrobiales Balch & Wolfe, 1981

Family I. Methanomicrobiaceae Balch & Wolfe, 1981

Genus I. Methanomicrobium Balch & Wolfe, 1981

Genus II. Methanoculleus Maestrojuan, Boone, Xun, Mah & Zhang, 1990

Genus III. Methanofollis Zellner, Boone, Keswani, Whitman, Woese, Hagelstein, Tindall & Stackebrandt, 1999

Genus IV. Methanosenium Romesser, Wolfe, Mayer, Spiess & Walther-Mauruschat, 1981

Genus V. Methanolacinia Zellner, Messner, Kneifel, Tindall, Winter & Stackebrandt, 1900

Genus VI. Methanoplanus Wildgruber, Thomm, K?nig, Ober, Ric-chiuto & Stetter, 1984

Family II. Methanocorpusculaceae Zellner, Stackebrandt, Messner, Tindall, Conway de Macario, Kneifel, Sleyter & Winter, 1989

Genus I. Methanocorpusculum Zellner, Alten, Stackebrandt, Conway de Macario & Winter, 1988

Family III. Methanospirillaceae Boone, Whitman & Koga, 2002 Genus I. Methanospirillum Ferry, Smith & Wolfe, 1974 Family incertae sedis

Genus I. Methanocalculus Ollivier, Fardeau, Cayol, Magot, Patel, Prensier & Garcia, 1998

Genus II. Methanolinea Imachi, Sakai, Sekiguchi, Hanada, Kama-gata, Ohashi & Harada, 2008

Order III. Methanosarcinales Boone, Whitman & Koga, 2002 Family I. Methanosarcinaceae Balch & Wolfe, 1981

Genus I. Methanosarcina Kluyver & van Niel, 1936

Genus II. Methanococcoides Sowers & Ferry, 1985

Genus III. Methanohalobium Zhilina & Zavarzin, 1988

Genus IV. Methanohalophilus Paterek & Smith, 1988

Genus V. Methanolobus K?nig & Stetter, 1983

Genus VI. Methanomethylovorans Lomans, Maas, Luderer, Op Den Camp, Pol, van der Drft & Vogels, 2004

Genus VII. Methanimicrococcus Sprenger, van Belzen, Rosenberg, Hackstein & Keltjens, 2000

Genus VIII. Methanosalsum Boone & Baker, 2002

Family II. Methanosaetaceae Boone, Whitman & Koga, 2002

Genus I. Methanosaeta Patel & Sprott, 1990

Genus II. Methanothrix Huser, Wuhrmann & Zehnder, 1984

Family III. Methermicoccaceae Cheng, Qiu, Yin, Wu, Hu, Deng & Zhang, 2007

Genus I. Methermicoccus Cheng, Qiu, Yin, Wu, Hu, Deng & Zhang, 2007

Class IV. Halobacteria Grant, Kamekura, McGenity & Ventosa, 2002

Order I. Halobacteriales Grant & Larsen, 1989 Family I. Halobacteriaceae Gibbons, 1974

Genus I. Halobacterium Elazari-Volcani, 1957

Genus II. Haladaptatus Savage, Krumholz, Oren & Elshahed, 2007

Genus III. Halalkalicoccus Xue, Fan, Ventosa, Grant, Jones, Cowan & Ma, 2005

Genus IV. Haloarcula Torreblanca, Rodriguez-Valera, Juez, Ventosa, Kamekura & Kates, 1986

Genus V. Halobaculum Oren, Gurevich, Gemmell & Teske, 1995

Genus VI. Halobiforma Hezayen, Tindall, Steinb?chel & Rehm, 2002

Genus VII. Halococcus Schoop, 1935

Genus VIII. Haloferax Torreblanca, Rodriguez-Valera, Juez, Ventosa, Kamekura & Kates, 1986

Genus IX. Halogeometricum Montalvo-Rodriguez, Vreeland, Oren, Kessel, Betancourt & Lopez-Garriga, 1998

Genus X. Halomicrobium Oren, Elevi, Watanabe, Ihara & Corcelli, 2002

Genus XI. Halopiger Gutierrez, Castillo, Kamekura, Xue, Ma, Cowan, Jones, Grant & Ventosa, 2007

Genus XII. Haloplanus Elevi Bardavid, Mana & ?ren, 2007

Genus XIII. Haloquadradum Burns, Janssen, Itoh, Kamekura, Li, Jensen, Rodriguez-Valera, Bolhuis & Dyall-Smith, 2007

Genus XIV. Halostagnicola Castillo, Gutierrez, Kamekura, Xue, Ma, Cowan, Jones, Grant & Ventosa, 2006

Genus XV. Halorhabdus Waino, Tindall & Ingvorsen, 2000

Genus XVI. Halorubrum McGenity & Grant, 1996

Genus XVII. Halosarcina Savage, Krumholz, ?ren & Elshahed, 2008

Genus XVIII. Halosimplex Vreeland, Straight, Krammes, Dougherty, Rosenberg & Kamekura, 2003

Genus XIX. Haloterrigena Ventosa, Gutierrez, Kamekura & DyallSmith, 1999

Genus XX. Halovivax Castillo, Gutierrez, Ma, Cowan, Jones, Grant & Ventosa, 2006

Genus XXI. Natrialba Kamekura & Dyall-Smith, 1996

Genus XXII. Natrinema McGenity, Gemmell & Grant, 1998

Genus XXIII. Natronobacterium Tindall, Ross & Grant, 1984

Genus XXIV. Natronococcus Tindall, Ross & Grant, 1984

Genus XXV. Natronolimnobius Itoh, Yamaguchi, Zhou & Takashina, 2005

Genus XXVI. Natronomonas Kamekura, Dyall-Smith, Upasani, Ventosa & Kates, 1997

Genus XXVII. Natronorubrum Xu, Zhou & Tian, 1999

Class V. Thermoplasmata Reysenbach, 2002

Order I. Thermoplasmatales Reysenbach, 2002

Famly I. Thermoplasmataceae Reysenbach, 2002

Genus I. Thermoplasma Darland, Brock, Samsonoff & Conti, 1970

Family II. Picrophilaceae Schleper, P?hler, Klenk & Zillig, 1996

Genus I. Picrophilus Schleper, P?hler, Klenk & Zillig, 1996

Family III. Ferroplasmataceae G?1yshina, Pivovarova, Karaviako, Kondrateva, Moore, Abraham, L?nsdorf, Timmis, Yakimov & G?1yshin, 2000

Genus I. Ferroplasma G?1yshina, Pivovarova, Karaviako, Kondrat-eva, Moore, Abraham, L?nsdorf, Timmis, Yakimov & G?1yshin, 2000

Family incertae sedis

Genus I. Thermogymnomonas Itoh, Yoshikawa & Takashina, 2007

Class VI. Thermococci Zillig & Reysenbach, 2002

Order I. Thermococcales Zillig, Holtz, Klenk, Trent, Wurdel, Janekovic, Imsel & Haas 1988

Family I. Thermococcaceae Zillig, Holtz, Klenk, Trent, Wurdel, Janekovic, Imsel & Haas 1988

Genus I. Thermococcus Zillig, 1983

Genus II. Palaeococcus Takai, Sugai, Itoh & Horikoshi, 2000

Genus III. Pyrococcus Fiala & Stetter, 1986

Class VII. Archaeoglobi Garrity & Holt, 2002

Order I. Archaeoglobales Huber & Stetter, 2002

Family I. Archaeoglobaceae Huber & Stetter, 2001

Genus I. Archaeoglobus Stetter, 1988

Genus II. Ferroglobus Hafenbradl, Keller, Dirmeier, Rachel, Robnagel, Burggraf, Huber & Stetter, 1996

Genus III. Geoglobus Kashefi, Tor, Holmes, Gaw van Praagh, Reysenbach & Lovley, 2002

Class VIII. Methanopyri Garrity & Holt, 2002

Order I. Methanopyrales Huber & Stetter, 2002

Family I. Methanopyraceae Huber & Stetter, 2002

Genus I. Methanopyrus Kurr, Huber, K?nig, Jannasch, Fricke,

Trincone, Kristjansson & Stetter, 1991 [28.]

20.3. Классификация метаногенов [29]

Порядок Methtmabacteriales. Порядок Methmwbacteriales в настоящее время включает в себя неподвижные метаногены с псевдомуреиновой клеточной стенкой и простые эфиры C20 и C40 изопропанил глицерина в их мембранах. Порядок содержит два семейства:

• семейство I. Methanobacteriaceae и

• семейство II. Мethanothiermaceae.

Семейство I Metharmbacteriaceae.

Семейство Methanobacteriaceae содержит четыре морфологически различных рода, (А)13 видов рода Methanobacterium [29] являются полочковидными нитевидными клетками.

Некоторые виды термофильны и некоторые из них алкалифильны и найдены в различных пресноводных средах. Methanobacterium subterraneum,изолирован из глубоких гранитных подземных воды является алкалифильным, еуритермическим и галотелирантным метаногеном [40 68g]. Только шесть видов (М. formicicum, М. defluvii, М. oryzac, М. palustre, М. subterraneum, M. thertnoflexum) могут использовать формиат. Три вида (M, bryantii, М. for-micicum и М. palustre) могут расти на 2-пропанол / CO₂. Все виды способны расти на H2 +CO₂. При условии, что диапазон значений G+C достаточно широкий от 29 до 62 моль % и показывает, что род Methanobacterium еще гетерогенный и состоит из более чем одного рода Типичный представитель М. formicum [29]. (b) В род Methanothermobacter [29] было предложено включить термофильные метаногены такие, как М. thermoautotrophicum [29] | и М. wolfei [29]. М. thermoalcaliphilum [29] и М. thermoformicicum [29], которые рассматриваются как синонимы М. thermoautotrophicum [29]. Это предложение в настоящее время принято и новый род Methanothermobacter создан, чтобы включать в себя три вида именно Methanothermobacter thermoautotrophicus comb nov., Methanothermobacter wolfii comb nov. и Methanothermobacter marburgensis Sp.nov. [29]. Cемь членов рода Methanobrevibacter являются нейтрофильными мезофильными короткими палочками, часто формируя пары или цепи и содержание С+ G варьируется от 28 до 32 моль % [29]. Каждый вид обитает в специализированной среде обитания. М. ruminantium, типичный вид, является преобладающим метаногеном в бычьем рубце [29]. Он требует для роста кофакторы, но, подобно М. Smithii.и M.cuticularis можете использовать формиат. М. Smithii в изобилии в осадках сточных вод и кишечных трактах животных и человека [29].

М, arboriphilus не использует формиат и был изолирован из влажной древесины живых деревьев [29]. Methanobrevibacter curvatus, М. cuticularis [29] и М. filiformis [29] были выделены из кишки подземных термитов недавно в то время как М. oralis был выделен из человеческой поддесневой бляшки [29].

(г) Два вида рода Methanosphaera грам-положительные сферической формы организмы, которые были выделены из фекалий человека [29] и кролика [29] и, как правило, наблюдается в пищеварительном тракте животных^-+-С, содержание от 23 до 26 % мол. Оба вида требуют как метанол и H₂ в качестве субстрата для метаногенеза и не в состоянии использовать Н₂ плюс CO₂ или формиат. Неспособность восстановить CО₂ в СН₄ связано с отсутствием активной или присутствии неактивного CО2-редуктазной системы и метилтетрагидрометаноптерин: Ко фермент M метилтрансферазы [29].Типовые виды М. stadtmanii [29].

Семейство II Methanothermaceae. Семейство Methanothermaceae состоит из одного рода Methanothermus и его двух видов [29]. Оба вида эстремальные термофмлы и были изолированы из конкретной среды обитания (вулканически теплых вод). Температурный оптимум является 8 °C. Клетки палочковидные, содержащие двуслойную стенку и имеют мол G +С содержанием 33–34 %. Как гидрогенотрофные метаногены, они используют только водород и диоксид углерода с прототрофным ростом. Представитель вида М. fervidis [29].

2. Порядок Methanococcales. Boone et al. [29] предложили тщательную реарганизацию этого порядка. Порядок теперь содержит два семейства и четыре рода (рис. I) из гетерогеннотрофных метаногенов, изолированных по существу из морской и прибрежной среды. Все виды нерегулярные кокки, содержат белковые клеточные стенки и подвижные благодаря полярным пучкам жгутиков. Клетки лизируют быстро в моющих средствах. C20 эфиры глицеринизопропила имеются в изобилии и C40 эфиры отсутствуют, исключая в “Methanocaldococcus jannaschii”. Все виды используют оба вида и Н₂ и формиат в качестве доноров электронов, и являются прототрофами, за исключением трех видов «Methanocaldococcus» и «Methanoignis igneus”, которые не могут использовать формиат. Рост часто стимулируется селенном.

Семейство 1 Methanococcaceae. Семейство Methanococcaceae содержит два рода,

(a) род Methanococeus мезофильный включает в себя пять видов (в том числе 1 синоним), чье G+C содержание варьирует между от 30 до 41 моль% [29]. Представитель видов М. vannielii [29]. Methanococcus deltae был признан как синоним М. maripaludis [29]. 'Methanacoccus aeolicus' был включен в генетическом исследовании, но его характеристики никогда не были формально описаны [29].

(b) Род «Methanothermococcus” было предложено включить как термофильный вид M. thermolithotrophicus [29].

Семейство II 'Methanocaldococcaceae. В Семейство 'Meihanocal-dococcaceae' было недавно предложено включить два термофильных рода. G+ C диапазоны от 31 до 33 % мол. (а) "Methanocaldococcus jannaschii [29], экстремальный термофил, изолированный из гидротермальных струй на Восточно-Тихоокеанское поднятие, является самым быстрорастущим метаногеном, известным на сегодняшний день (генерация время = 30 мин). Два новых вида, М. fervens и М. vulcanius, недавно были описаны в роду Methanococcus, но должно быть переклассифицированы в род Methanocaldococcus [29].

(б) «Methanoignis igneus» [29] является единственным видом в новый роду, предложенным Boone et al. [29].

3. Порядок Methanomicrobiales. Прядок Methanomicrobiales включает в себя три семейства и один род [29] (рис. 1).

Семейство Methanomirobiaceae. Семейство Methanomicrobiaceae содержит семь родов с различной морфологией, которая включает небольшие палочки, весьма нерегулярные кокки, и плоские формы клеток. Клеточные стенки являются поролюцаныозными и включают липиды двух типов: C20 и C40 изопранил эфиры глицерина. Ряд G+ С семейства составляет 39 до 50 моль %. Почти все штаммы могут использовать формиат и некоторые вторичные спирты.

(a) род Methanomicribium включает в себя один мезофильный вид, М. mobile, в котором содержание G+ С составляет 49 % мол. [29]. Это слегка изогнутые палочки, вяло подвижные с полярным жгутиком. Он был выделен из бычьего рубца и имеет сложные питательные требования, которые включают жидкость рубца. Неизвестный фактор роста, найденый в жидкости рубца может быть заменен экстрактом Methanobacterium thermoautorophicum [29].

(b) Род Methanolacinia был создан, чтобы включать переклассифицированный виды Methanomicrabium paynterii [29], как Methanolacinia paynteri [29]. Methanolacinia paynteri короткие и нерегулярные, неподвижная палочка изолированы из морских отложений, не могут использовать формиат. Клетки лизируют в моющих средствах. Содержание G +C составляет 45 % мол.

(c) Род Methanagenium содержит пять видов, выделенных из различных сред [29]. Морфологически они весьма нерегулярные кокки, окрашиваются грамотрицательно и неподвижные, но обладают жгутиками. Клеточные оболочки состоят из регулярных субъединиц белка. Лизируют клетки легко в разбавленных моющих средств. Они требуют факторы роста и используют формиат. Содержание C+ G варьируется от 47 до 52 % мол. Два вида могут использовать CO₂ + вторичные спирты с образованием метана. Methanogenium frittonii является термофильным видом [29], тогда как М. frigidum, который имеет оптимальную температуру роста 15⁰ С был выделен из ледяного озера в Антарктике и является психрофилом [29]. Представитель вида М. cariaci [29].

(d)Род Melhanoculleus [29]состоит из пяти мезофильных видов (в том числе один синоним) из весьма нерегулярно неподвижных кокков, которые окрашены граммотрицательно [29] и один термофильный вид [29]. Формиат используют пять видов. Содержание G +C в диапазоне от 49 до 62 % МВД. Типовые виды были предложены в качестве М. olentabgyi [29] и М. bourgense [29] в качестве синонима М. olentangyi [29].

(е)Род Methanoplanus состоит из трех видов плоских форм организмов с полярными пучками жгутиков [29]. Клеточные стенки содержат по крайней мере один основной гликопротеин. Формиат используется для метаногенезиса. Представитель вида М. limicila [29]. Первая из них представляет эндосимбионт из морских цилиатов и найден в тесной связи с микротелами, и как полагают, обеспечивает водородом метаногены [29]. Метаноген действует как сток электронов при окисленных стадиях углеродного потока у реснитчатых.

Эти симбиотические отношения, как полагают, ответственны за полное преобразование метаболитов углекислого газа и метана в морских отложениях. Недавно был открыт новый вид, М. petrolearius, был выделен из нефтяных скважин [29]. Диапазон G+ C составляет 39 до 50 мол %. (F) Zellner соавт. [29] предложили классификацию Methanogenium tationis [29] и М. liminatans [29] в новом роде Methanofollis. Эти виды используют формиат и имеют содержание G+ С из 54–60 мол %.

(g) Methanocalculus является недавно описанным родом, который включает в себя нерегулярный кокковидный вид М. halotolerans, изолированный из морской нефтяной скважины [29]. Это гидрогенотрофный галотолерантный метаноген, который растет оптимально при 5 % и допускает до 12 % NaCl. От 0 до 12 % NaCl диапазон роста является самым широким сообщалось до настоящего времени для любого гидрогеннотрофного метаногена, включая членов порядков

Methanobacteriales, Methanococcales и Methanomicrobiales. Дальнейшие исследования могут привести к реклассификации этого рода к семейству Methanocorpusculaceae.

Семейство II Methanocorpusculaceae. Семейство Methanocorpuscu-laceae [29] содержит один род, Methanocorpusculum и пять видов (в том числе я синонимы) [29] мезофильных, небольшие кокковидные метаногены с монотрихозным жгутиком. Они используют H2/CO₂ и формиата и некоторые виды могут использовать 2-propanol/CO₂. Типичный вид, предложенный Boone et al. [29] М. parvum, требующая для роста вольфрам. Это первый гидрогенотрофный метаноген, обладающий цитохромом b-или c-типа, вероятно, участвует в окислении 2-пропанола. Methanocorpusculum aggregans [29] был недавно признан как синоним М. parvum [29]. Мол% G +С этого рода 48 до 52.

Семейство III 'Mefhanospirillaceae. Создание семейства Methano-spirilaceae было предложено недавно Boone et al. [29], чтобы включать в себя один род Meltmnospirillum. Представители рода являются мезофильными и были зарегистрированы в различных средах обитания. Тем не менее, только один вид, Methanospirillum hungatei, было описано до сих пор [29]. Клетки изогнутые палочки и часто образуют нити нескольких сотен микрон в длину. Клетки представляют полярные, хохлатые жгутики и есть ножны. Композиция клеточной стенки содержит 70 % аминокислот, 11 % липиды и углеводы 6,6 % [29]. Цитоплазматическая мембрана и клеточная оболочка, также были изолированы и их состав определяется [29]. Типовой вид использует H2 +углекислота и формиат, а некоторые штаммы способны использовать 2-пропанол и 2-бутанол в качестве доноров водорода для метаногенеза из CO₂ [29]. Methmospirillum hungatei дал положительный ответ на хемотаксическое использование ацетата [29]. Содержание G +С 45–49 моль%. Это гидрогенотрофный метаноген показывает лучшие сродство к водороду и всегда используется для изоляции синтрофных бактерии, когда сульфат редукторы не используются.

4, Порядок Methanosarcinales ". Эта новый порядок, предложенный Boone et al. [29] объединяет все ацетотрофные и / или метилотрофные метаногены в две семьи (рис. 1).

Семейство I Melhanosarcinaceae [29]. Семейство I Melhanosarcinaceae содержит шесть родов и 21 видов (в том числе, – 1 синоним), (а) род Methanosarcina представлен ацетотрофным метаногеном, который преобладает во многих анаэробных экосистемах, в которых органические вещества полностью деградируются до CH4 и CO₂. Они найдены в пресноводных и морских грязях, бескислородных почвах, лагунах животных отходов, и анаэробных биореакторах. Некоторые являются наиболее универсальными метаногенами, способными использовать Н2+CO₂, ацетат и метильные соединения (метанол, метиламины), в том числе шесть мезофильных видов (в том числе один синоним), Methanosarcina Barkeri, типовой вид [29], М. acetivorans [29] М. mazei [29], М. siciliae [29], М. vacuolata [29], и только один термофильных видов, М. thermophila [29]. Они разделяют характерную для псевдосарцины клеточное расположение и морфологию.

Несколько изолятов были описаны, которые используют ffi+CO₂ и метил соединения, и имеют кокковидную морфологию, как М. frisia передается от Methanococcus frisius [29] и признал позже как синоним М. mazei [149g]. Это промежуточная форма, М. mazei, имеет морфологию, подобную как псевдосарцинам, так и коккам на различных этапах ее жизненного цикла [29]. Сложный жизненный цикл, высвобождающиеся при этом отдельные клетки могут обеспечить механизм для сотовых разгона при неблагоприятных условиях роста, в то время как ограниченный цикл облегчает разделение колонии во время роста в благоприятных условиях. с разгрузкой.

При деформации LYC, имеется образование дизагрегатазного фермента, который гидролизует матричное проведение колонии вместе [29]. Xun et al. [29] показали, что жизненный цикл штамма S-6 может управляться манипуляцией условиями роста (магний, кальций и концентрации субстрата), а также размером инокулята.

Methanosarcina vacuolata показывает наличие больших вакуолей, содержащих газовые пузырьки, но не может плавать в жидкой среде [29]. Methanosarcina siciliae была переведена из рода Methanolobus. Она использует только метильные соединения [29] и похожи в этом на М. semesiae [29], но недавно ацетокластический штамм M. siciliae был выделен из морских отложений каньона [29]. Methanosarcina acetivorans является единственным морских видом в этом роде [29]. Methanosarcina barkeri является наиболее изученным ацетокластическим метаногеном и одним из самых ранних видов метаногенов, изолированного в стерильной культуре Schnellen в 1947 году [29], но потерена и изолирована снова Bryant 1966 (штамм MST) и описывается как штамм вида [29]. Клетки являются псевдосарциной, в основном из мелких агрегатов, но иногда в больших массах, видимых невооруженным глазом. Они неподвижны и окрашиваются грамположительно.

Полимер клеточной стенки содержит ^ацетил^-галакто-глюкосамина и D-глюкуроновую (или D-galaeturonic) кислоту при мольном соотношении 2:1, а также небольшое количество D-глюкозы и следы D-манноза. Частичный гидролиз материала клеточной стенки дает дисахариды, идентичные хондросину, N-ацетилированную и сульфатированную форму, которая известна как повторяющееся звено животного хондроитина [29]. Этот уникальный полимер

Methanosarcina еще один пример различных эукариотических сходств, найденных в Archaea и может быть названо "метанохондроитин» [29].

Виды Methanosarcina содержат только C20-изопранил глицерол эфир. Пищевые потребности варьируют между видами. Метаболизм водорода в течение метаногенеза из ацетата был тщательно изучен [29]. Образование H2 клетками, как представляяется, связано с несколькими внутриклеточными окислительно-восстановительными

процессами, которые следуют при расщеплении ацетата. Belay и Daniels [29] описали образование этана М. barkeri в процессе роста на среде с этанолом, этанол превращается в этан использованием терминальной части процесса метанол-в – метан.

В порядке 'Methanosarcinales', следующие пять оставшихся родов являются облигатными метилотрофными метаногенами. Эти метилотрофы неподвижны, в основном мезофильные, нерегулярные кокки, используя только метанол и метиламины в качестве субстратов для метаногенеза. Большинство биотопов были выделены из среды с высокой концентрацией соли и некоторые из них рассматривается как истинные гипергалофильные метаногены род Methanolobus [29] содержит пять видов [29].Типовой вид, М. tindarius представляет собой неправильные кокки, мезофильные, изолированы из прибрежных отложений, с одним жгутиком [29]. Оптимальная концентрация NaCl, составляет около 0,5 М. Эта концентрация может достигать 1,5 M для М. oregosis [29].G+C содержание в диапазоне 39–46 моль%.

Рис. 20-3. ШтаммMethanosarcina CHTI 55, растущий на ацетате. [3].

Рол Methnococcoides включает в себя два вида М. methylutens в качестве типового вида [29]. Клетки лизируют легко в SDS. Оптимальная концентрация NaCl, 0,2–0,6 М, и высокие концентрации магния (50 мм) также требуются. Methano^c^des burtonii является психрофильными метаногеном, изолированным из ледяного озера в Антарктиде; оптимальная температура +23 С [29].% Мол G +C рода 40–42.

Род Methanohalophilus охватывает четыре мезофильных, гипер-галофильных вида [29]. Типовой вид, М. mahii был выделен из отложений Большого Соленого озера, штат Юта. Оптимальная соленость для роста 1–2,5 М NaCl. Methanohalophilus euhalobius был недавно переведен из рода Metha-nococcoides [29] и М. halophilus из рода Mmethnococcus[29]. Содержание G +C диапазона рода 38–49 моль%.

Род Methanosalsus был недавно предложил к реклассификации Metha-nohalophilus zhilinae как «Methanosalsus zhilinae [29], алколофильный, галогенофильный вид метаногена, изолированного из египетского озера, и способны катаболизировать диметилсульфид [29]. моль % G + С составляет 38.

Род Methanohalobium представлен только одним чрезвычайно галофильным видом, М. evestigatum [29] растет на 25 % раствором NaCl при 50 °C.

Семейство II Methanosaetacea. Семейство Methanosaetacea включает все облигатные ацето-трофные метаногены, сгруппированные в род Metha-nosaeta, в настоящее время состоящий из двух видов. Типовой вид, М. conci-lii,образует иммунологически сплоченные группы [29].

Палочковидные клетки 0,8 х 2 мкм, образуют длинные нити в оболочке, которые часто образуются хлопья, как агрегаты. Наружный слой клеточной стенки состоит из белков. Только C20 изопранил глицерол эфиры присутствуют. Ацетат является единственным субстратом для метаногенез с временем удвоения 4–7 дней при температуре 37 °C. Формиат разлагает в Н₂-СО₂. Бактерия была впервые описана как Methanothrix soehngenii [29], но культуры квалифицируются как неаксенический [29] и, как следствие этого названия было отклонено [29]. Термофильный газвакуолированный вид, М. thermo-acetophila, был описан, но культура, как снова было найдено, неаксеническая [29]. Другой термофильный штамм был выделен и охарактеризован [29]. Недавно название M, thermoacetophila было отклонено и заменено с М. thermophila [29]. Мол %G+ C рода является 50–61.

5. Порядок Mthanopyrales' Boone el el.. [29] предложили включить род Methanopyrus в новый порядок, 'Methanopyrales. Такой порядок в настоящее время представляет новую группу метаногенов, растущих при 110 °C и не имеет отношения ко всем другим известным метаногенам [29]. Единственное семейство, Methanopyraceae' ' включает в себя только один вид, Methanopyrus kandleri. Methanopyrus kandleri является гидрогенотрофным, гипертермофильные археем, который окрашивается грамположительно. Он был выделен из гидротермально горячих глубоких морских осадков и из мелкой морской гидротермальной системы. В присутствии серы, H2S формируется и клетки имеют тенденцию к лизису. Клеточная стенка состоит из нового типа псевдомуреина, который содержит орнитин и лизин, но не N-ацетилглюкозоамин. Псевдомуреин покрыт детергент чувствительным белком. Ядро липида состоит исключительно из фитанил диэфира. Содержание G+C 60 мол. %.[29]

20.4. Геологические эпохи эволюции земли

На рисунках 20-9 и 20–10 представлены две таблицы подробно объясняющие современные представления об эпохах эволюции Земли и место эона Арх.

Рис. 20-4. Эпохи эволюции Земли.

Hadean" происходит от Аида, древнегреческого бога из преисподней из-за «адского» условия на Земле в то время: планета только что сформирована и была все еще очень горячей из-за высокого вулканизма, частично расплавленной поверхности и частыми столкновениями с другими телами Солнечной системы.

Геолог Preston Ercelle Cloud, Jr ввел термин в 1972 году, первоначально для обозначения периода до самых ранних известных пород на Земле. В. Брайан Харланд позже придумал почти синонимом термина: "Priscoan период». Другие, более старые тексты просто сослаться на EON Как предварительно архейскую. [31].

Рис. 20-5. Фото П.Е. Клауда (1912 – 1991)

20.5. Временная шкала возникновения и эволюции живого, начиная с эона археа

Fabia U Battistuzzi et al [32] на основании исследований последовательности 32 белков (7597 аминокислот), выделенных из известных представителей Археа, предложили следующую концепцию геномной сроков эволюции прокариот с позиций происхождения метаногенеза, фототрофии и колонизации замели. (Рис. 20–12, 20–13)

1. Hyperthermophiles

Больше всего в базальных положение Дебаты в этом древе

2. E.Coli и Salmonella является последовательными.

3. Несоответствие с окаменелостями, которые представлены Цианобактерии.

4. Близко расположенных во время архебактериями

5. Происхождение жизни на Земле

Эон «АИДА» (4.5–4.0 млрд. лет) происхождения жизни на Земле также согласуется с ранним созданием гидросферы. Тем не менее, самые ранние геологические и ископаемые свидетельства жизни, как ни обсуждались, не оставляя прямой поддержки таких старых временных оценок.

6. Метаногенез

Archaebacteria являются единственными известными прокариотами, продуцирующими метан. Наша временная оценка между 4,11 Ga (3.31-4.49 млрд. лет) (узел Р-О) и 3,78 Ga (3.05-4.16 млрд. лет) для возникновения метаногенез предполагает, что метаногены присутствовали на Земле в течение Эона Архея, в соответствии с теорией, определяющей метан, как парниковый газ.

7. Анаэробная метанотрофия

Анаэробная метанотровия или анаэробное окисления метана (АОМ), является метаболизмом, связанным с окислением метана и восстановлением сульфатов. Окислители Метана представлены архебактериями, филогенетически связанными с Methanosarcinales (при 3,09 (2.47-3.51) Ga, узел М до 0,23 Ga (0.12-0.39 Ga, узел L), тогда как а сульфат редукторы, когда они присутствуют, относятся к эубактериальным членам отдела 5-протеобактерий.

Рис. 20-6. Геологические эпохи эволюции Земли.

8. Аэробные метанотрофия.

Обе, и анаэробная и аэробная метанотрофия были использованы для объяснения высокой степени обедненности углерода по изотопным значениям, найденным в геологиченских формациях периода 2,8–2,6

Ga. Время возникновения Разделов протеобактерий, как было предложено, основано на их метаболизме и относится к периоду между (узел C (2,80 Ga; 2.45-3.22 Ga) и узел B (2,51 Ga; 2.15-2.93 Ga)).

Оценки времени для этих двух типов метаболизма являются совместимыми с изотопными исследованиями..

9. Фототрофия.

Рис. 20-7. Эволюция Прокариотов и археа по Ф.У. Баттистуззи и др. [32].

Способность использовать свет в качестве источника энергии (фототрофия, фотосинтез) ограничивается эубактериями среди прокариот. Фототрофные эубактерии находятся в пяти крупных семействах (группах), включая протеобактерии, зеленые серные бактерии, зеленые нитчатые бактерии, грамголожительные гелиобактерии и циано-бактерий. Это широкое таксономическое распределение фототрофного метаболитического механизм есть HGT. Они предположили, что общий предок (узел I) был фототрофный. Поэтому фототрофия эволюционировала до 3.19 (2.80-3.63) Ga (узел I). Поскольку гипер-термофилы Aquifex и Thermotoga не фототрофы и ветвиться более базально, 3,64 (3.17-4.13) Ga (узел J) можно считать максимальной датой фототрофии.

10. Колонизация земли.

Синтез пигментов, таких как каротиноиды, которые функционируют в качестве фотозащитных соединений против активных форм кислорода, образуемых УФ-излучением, являют способность присутствовать во всех фотосинтетических эубактериях и в группах, которые частично или главным образом связаны с наземным обитанием, таких как актинобактерии, цианобактерии и Deinococcus– Thermus. Пигментация была, вероятно, важным шагом в колонизации поверхности окружающей среды. Ранняя колонизация земли вводится, как имели место, после расхождения этой наземной родословной с Firmicutes (узел Н), 3.05 (2.70-3.49) Ga, и до расхождения с Actinobacteria с Цианобактериями + Deinococcus (узел F), 2,78 (2,49 -3,20) Ga. Эти молекулярные оценки времени совместимы со временными оценками (2,6–2,7 млрд. лет) на основе геологических данных для ранней колонизации земель организмами (прокариотами).

11. Кислородный фотосинтез.

Некоторые из ранних шагов, ведущих к кислородному фотосинтезу, видимо, были приобретения защитных пигментов, фототрофии и колонизации земли. Виды цианобактерий, как известно, широко распространены среди порядков. Происхождение цианобактерий в качестве калибровочного материала определяется возрастом 2,3 Ga геологического времени и основана на GOE. В этом случае определения срока для узла E (2,56 Ga; 2.31-2.97 Ga) не был намного старше, чем ограничение себя.

Временные линии метаболических новшеств и событий на Земле. Минимальное время для кислородного фотосинтеза сдерживается Величайшим Событием Окисления (2,3 млрд лет), тогда как максимальное время происхождения жизни сдерживается происхождением Земли (4,5 млрд лет). Горизонтальные линии указывают на достоверность интервалов, белые прямоугольники обозначают минимальное и максимальное время ограничения на происхождение метаболизма или события, и цветные прямоугольники указывают на наличие метаболизм или события.

Рис. 20-8. Временные линии метаболических новшеств и событий на Земле. [32]

Наши филогенетические результаты поддерживают наиболее принятое высокоуровневое группирование прокориотов.

Дивергенция временных оценок для основных групп эубактерий находятся между 2,5–3,2 миллиарда лет назад (Ga) в то время как для архебактерий в основном между 3,1–4,1 Ga

Время оценки Эона Аида – происхождение жизни (до 4,1 млрд. лет), раннее происхождение метаногенеза (3,8–4,1 млрд. лет), Происхождение анаэробной метанотрофии после 3,1 Ga, Происхождение фототрофии до 3,2 Ga,

Ранняя колонизация Земли 2.8–3.1 Ga, и Происхождение аэробной метанотрофии 2,5–2,8 Ga,

Выводы: Наши предварительные оценки времени метаногенеза поддерживается рассмотрением метана, в дополнение к диоксиду углерода как парниковому газу, ответственного за раннее потепление поверхности Земли.

Наши расхождение времени для возникновения анаэробной метанотрофии совместимы с высоко обедненными изотопными значениями углерода, найденного в породах от 2,8–2,6 Ga. Раннее происхождение фототрофии согласуется с более ранними бактериальными матами и структурами, идентифицированными как строматолиты, но 2,6 Ga время происхождения цианобактерий предполагает, что те архейский структуры, если произведены биологически, то были сделанные аноксигенными фотосинтетиками. Устойчивость к высыханию Terrabacteria и их разработка фотозащитных соединений предполагает, что общий предок этой группы населял Землю. Если это правда, то кислородный фотосинтез может обязаны своим происхождением наземным приспособлениям..[32]

Баттистуззи Ф. с соавторами выдвинули свою гипотезу эволюции прокариот по молекулярным данным, которую изобразили графически по изменению возраста Земли. Согласно этому графику жизнь возникла немного ране 4 млрд. лет назад. Следующим этапом было возникновение метаногенеза – около 3.8 – 4.1 млрд. лет назад. Анаэробный фотосинтез – ранее 3.2 млрд. лет назад. Появление анаэробной метанотрофии – около 3.1 млрд. лет назад.[32].

Авторы реконструировали эволюцию прокариот на основе последовательностей 32 белков, общих для 72 видов прокариот, относящихся ко всем основным группам. Причем выбраны были такие белки, для которых вероятность горизонтального переноса минимальна (в основном связанные с "хранением и обработкой информации"). Полученные результаты подтвердили "правильность" выделения большинства высших таксонов прокариот. Но есть и новшества, самое важное из которых – выделение новой "хорошо обоснованной" группы, включающей цианобактерий, актинобактерий и Deinococcus. Авторы назвали эту группу Terrabacteria и связали ее появление с ранней колонизацией суши.

Датировки событий (моментов расхождений эволюционных линий – клад) делались при помощи метода "локальных часов" (local clock method). Результаты получились следующие. [32].

Расхождение крупнейших эволюционных линий бактерий произошло 2,5 – 3,5 млрд. лет назад. Бактерии стали развиваться позже, чем археи. ВСЕ-ТАКИ АРХЕИ – ДРЕВНЕЙШИЕ ИЗ ВСЕХ. [32].

6. Измение первобытной атмосферы и гидросферы и роль метаногенов.

МЕТАНОГЕНЫ И ОБРАЗОВАНИЕ ВОДЫ. Гипотеза. Метаногены – продуценты пресной воды. Глобальное значение для эволюции земли – осадочных пород, атмосферы, гидросферы, жизни. «ВСЕМИРНЫЙ ПОТОП».

ПЕРВИЧНАЯ АТМОСФЕРА ЗЕМЛИ СОСТОЯЛА В ЗНАЧИТЕЛЬНОЙ МЕРЕ ИЗ ВОДОРОДА Н2, входившего ранее в состав протопланетной туманности и выделявшегося при дегазации земных недр. Атмосфера была гораздо плотнее современной и мощный парниковый эффект усиливал разогрев поверхности планеты.

Высокая температура атмосферы и, вероятно, интенсивные ударные бомбардировки привели к изменению ее состава. На рубеже 4,0–3,9 млрд. лет назад большая часть водорода улетучилась в космос или вошла в состав земных горных пород (основываясь на современных сведениях о метаногенных организмах и других археях, можно предположить, что большая часть водорода была утилизирована как метаногенами, так и другими анаэробными археями, например, сульфатредукторами). Уход водорода снизил давление в атмосфере, на поверхности и в недрах планеты, уменьшил действие парникового эффекта. Атмосфера Земли стала состоять из смеси газов CO₂, СО, N₂, NН₃, СН₄, Н₂О и других; кислород в ней практически отсутствовал…..Земля

остывала. При снижении температуры поверхности Земли ниже 150 °C в результате конденсации водяных паров возникали первые открытые водные бассейны.[33] ЭТО МЕТАНОГЕНЫ!!!!

Буквы указывают на точки, обсуждаемые в тексте. Последний общий предок был незаконно помещен на 4,25 Ga в дерево, хотя это размещение не является частью анализа. Серый прямоугольник показывает время до первоначального роста в кислороде. (предположительно анаэробных условиях). Mtb: Methanothermobacter, Tab: Thermoanaerobacter, Tsc: Thermosynechococcus. [32].

Глава 21. Энергетический обмен ментаногенов [34]

Мембранные структуры архей свидетельствуют о сравнительно однородном фенотипе, существенно отличающемся от других прокариот. Диэфиры и тетраэфиры липидов равномерно используются в качестве строительных блоков для плазменной мембран архей [34].

Очевидно, что низкая ионная проницаемость мембран, образованных из этих биполярных монослойформирующих липидов [34] вносит значительный вклад в стабильность хемиосмотического разделения зарядов в архебактериях, особенно при высоких температурах и / или при очень низких значениях рН.

Интересно, что ни кислородный аноксигеннез, ни "зеленый" фотосинтез не были обнаружены в царстве архей. Это последнее наблюдение послужило аргументом в пользу первой гипотезы дыхания, предполагая, что формирование основной структуры термнальных оксидазных комплексов предшествовало возникновению хлорофилла на основе расщепления воды и заряда-разделяющих систем [34].

Из различных биоэнергетических механизмов в археальных организмах особое внимание уделяется первичной консервации энергии, которая включает в себя мембран-резистирующие хемио-смотические процессы. Чисто ферментативная трансдукция энергии на уровне субстратного фосфорилирования, а также вторичные активные транспортные системы для растворенных веществ рассматриваться не будут. Как исключение среди вторичных преобразователей энергии, комплексы АТФ-синтазы будут рассмотрены, потому что они обладают уникальным и повсеместно консервативным механизмом, независимо от первичного преобразователя энергии, который обеспечивает электрохимический градиент иона и который будет использоваться в качестве движущей силы для образования высокоэнергетических связей при фосфорилировании ADP.[34]

Еще одним ограничением является большое разнообразие архейного домена, гораздо большее, чем это следует из рис. 1. То, что известно ко времени написания обзора о разнообразии в рамках домена архей, вероятно, только верхушка айсберга. С помощью молекулярных исследований, основанных на рРНК-направленного зонда, новые археи обнаруживаются постоянно не только в глубокоморских жерлах или сольфатарных полях [34], но и в мезофильных и даже условиях низкой температуры. К сожалению, лишь немногие из этих изолятов или новые виды, определенные методом ДНК-гибридизации окажутся пригодных для обработки.

Рис. 20-9. Временная шкала эволюции прокариот.

21.1. Хемоосмос в археях

Первичное сохранение энергии посредством мембран– присущим системам характеризуется образованием электрохмического потенциала ионов водорода и ионов натрия. В соответствии с работой Митчелла (367 гюн), свободная энергия, запасенная в этом градиенте описывается уравнениями 1 и 2 для протона движущей силой:

Таким образом, разнообразие биоэнергетических систем может превысить число классов, в этом всестороннем исследовании, предложенное авторами [34].

Рис. 21-1. Филогенетическое древо. Схематическая демонстрация разделения внутри CrenarChaeota и Euryarchaeota и демонстрация позиции главного археального рода. [34]

Первичные насосы могут управляться окислительно-восстановительными системами, как реакциями переноса метила в метаногенезе, или светом, как при фосфорилировании у галобактерии.

На некоторых типичных примерах цельноклеточных экспериментов с различными родами Archaea доказано, что синтез АТФ приводится в действие, в соответствии с хемиосмотической теорией, за счет таких градиентов иона. Эти эксперименты были значемы, поскольку минимальные системы, такие как вывернутые плазматические мембраные пузырьки или сферопласты, которые легко получены из нескольких бактериальных организмов, по существу недоступны в случае Archaea. Жесткая конструкция и чрезвычайно жесткая адгезия или смыкание гликопротеина клеточных стенок, охватывающих плазматическую мембрану архей, [34] представляют собой непреодолимое препятствие. По той же причине, подготовка интактных комплексов-передающих энергию мембранных белков достаточно сложно. Кроме того, другие факторы зачастую ответственны за неудачи при выделении каталитически активных комплексов, такие как АТФ-синтазы или терминальных оксидаз. Это может быть отсутствие высокого градиента рН, в котором мембранные белки подвергаются в естественных условиях экстремальным концентрациям соли, повышенная чувствительность к кислороду и холодной диссоциации даже при комнатной температуре. Кроме того, определение энергетических параметров, таких как ?pH или ?? прямым мониторингом или распределением диффузии молекулярных зондов очень ограничено при температуре окружающей и значениях рН ниже 3, физиологический рН среды для многих экстремальных ацидофилы.

Чрезвычайно ацидофильные микроорганизмы, в том числе archaeon Thermoplasma, были исследованы для создания инвертированного мембранного потенциала [30], чтобы предотвратить закисление цитозоля притоком H при преобладающих ?pH. Это как правило, не применяются ко всем ацидофилам. Мембранный потенциал термоацидофильных архебактерий, таких как Sulfolobus может быть достаточно низким (около 30 мВ), а протонная движущая сила поддерживается большим градиентом рН> 3 [34]. Хемиосмотический цикл H+ [34] с H / O соотношениях и строгая корреляция протонной движущей силы (?p,) с клеточного уровня АТФ может быть установлена для Sulfolobus. Рассеяние ?p, по протонофорам вызвало немедленный распад синтеза ?ТФ, при перепаде давления ? 0, сохраняющийся остаточной ?pH был уравновешен перевернутым мембранным потенциалом, в котором внутренняя часть была положительной [34]. В тех же опытах, внешние импульсы протонов, которые понизили рН от 6,1 до 3,4 производится увеличением, от -94 до -170 мВ и это сопровождалось увеличением внутриклеточного АТФ. По экспериментальным причинам, сообщенные данные определялись при температуре 45 °C и при окружающей рН 3,5 и, следовательно, можно считать слегка различными значениями при оптимальной температуре роста клеток. Анализ стратегии, чтобы справиться с чрезвычайно низких значениях рН дано со ссылкой 465.

С Halobacterium halobium, взаимосвязь либо светового либо индуцированного дыханием электрохимического протонного градиента с внутриклеточной АТФ была создана [34]. Интересно, что счетчиком катионного транспорта значительное количество энергии может быть сохранено также в форме калиевого градиента. Фото-фосфорилирование является резервной системой ограничения кислорода в супер галофильных археях. Это подтверждается последним исследованием с галоалкалифилом Natronobacterium pharonis [34] по демонстрации полного восстановления ?р, в атмосфере кислорода ограничивающих условий при освещении. На самом деле, в этом последнем архее основной вклад в движущую силу протонов производится мембранным потенциалом ?? = -225 до -280 мВ и ?pH влияет лишь незначительно кислородом ограничения. В этих условиях высокого потенциала мембраны генерируется направленную наружу хлорид градиент созданных светом активированный хлорид насоса halorhodopsin (HR), она нечувствительна к протонофоров и разобщители и даже может быть увеличена путем Cl-/OH– теплообменник трифенилолоза [34].

Мембранный потенциал может вносить примерно 90 % в протон движущую силу [34] в метаногенных архебактериях, как показано с Methanosarcina barkeri. Доказательства H⁺ – и №⁺-опосредованной хемиосмотической трансдукции энергии в метан было составлено ранее [34], таким образом, натриевые и протонные градиенты могут быть связаны Na-H антипортерами. Метаногенный штамм GO1 (теперь классифицируется как Methanosarcina mazei), это единственный известный случай, в котором успешный препарат архейской мембранной везикулярной системы предоставил полезную экспериментальную модель для изучения энергии трансдукции [34].

Сосуществование протон– и натрия– ионов связанной конверсии энергии у анаэробов так же, как разветвление путей электронного транспорта у аэробных архебактерий трудно решить, потому что эти организмы либо отсутствует или не чувствительны к сайт-специфическим ингибиторам известных функции у бактерий или эукариот. Кроме того, генетические системы для направленного мутагенеза или нарушением гена архей почти совсем не развиты или отсутствуют.

Схема по фиг. 20–16 иллюстрирует генерацию ионных градиентов первичными насосами и их использование во вторичных процессах. В следующих разделах, молекулярные свойства известных функциональных комплексов обсуждаются отдельно для метаногенных, дышащих, или фотовосфолирующих архей; следует отметить, однако, что текущие проекты полного генома предсказали существование дополнительных функциональных комплексов, которые еще не были проверены на уровне белка или мРНК.

21.2. Энергетика метаногенеза

Метаногены являются филогенетически разнообразными, но относительно используемых питательных субстратов достаточно равномерной группой строго анаэробных археи. Они способны расти на превращение небольшого числа соединений в метан. Это довольно простой путь, не связанный с субстратным фосфорилированием, а вместо этого генерация ионного градиента на мембране, которые используются для приведения в действие синтез АТФ. Интересно, что путь образования метана соединен с одновременной генерацией первичного градиента протонов и ионов натрия.

Хотя метаногены близки по используемым основным субстратам и используют идентичные пути, они существенно различаются в отношении компонентов, включенных в протон движущией силы электронной цепи переноса и, следовательно, скорее всего, используют различные механизмы для создания протонного градиента. Например, метилотрофный метаноген М. mazei G?l, содержат цитохромы, в то время водородный метаноген Methanobacterium thermoautotrophicum, нет. Так как большая часть наших знаний происходит от исследований с использованием метилотрофных метаногенов, в частности М. barkeri и М. mazei, в этом разделе рассматриваются эти организмы. Для более подробно обсуждение путей и биохимия метаногенеза, рассматривается работах [35, 36, 37, 38].

Протон движущим механизмом цепи переноса электрона в основных метаногенах во всех системах образования метана является промежуточный метил кофермент М (2-метилтиоэтан-сульфонат КМ), конечный предшественник метана (рис. 21-3). Это восстановительное деметилирование метил-КоM-редуктазой с электронами, полученными от восстановленного КоВ (7-меркаптогептаноилтреонин фосфата), чтобы получить метан и гетеросульфид КоМ и КоВ (КоМ^^-СоВ; далее именуемый как гетеросульфид), в реакции с участием кофактор F430 (реакция 6 на рис. 21-3). Для завершения цикла, гетеросульфид восстанавливается гетеросульфид-редуктазным комплексом (реакция 7 на рис 20-3), эта реакция является наиболее важным с точки зрения сохранения энергии[34]. Гетеросульфид редуктазы связаны с мембраной и работают как окончательный этап нескольких мембраносвязанных электронтранспортных цепей. [34].

Рис. 21-2. Первичные энергию-передающие процессы и связанные принципы в мембраной биоэнергетике.[34] (Верхняя схема иллюстрирует процесс, найденный в архебактериях, которые способствуют образованию либо протон или ион натриевого потенциалов через плазматическую мембрану. Нижние схемы иллюстрируют три механизмы, посредством которых ион градиент может быть получен: (а) химическое разделение зарядов (только электроны переносятся через мембрану), (b) мобильные мембранные интегральные кофакторы как хиноны или метанофеназин, функционирующие в качестве протонного транспортера (примеры комплексов arebc 1) и (c) окислительно-восстановительные насосы как оксидазы цитохрома с. Все схемы построены для H / есоотношении 1. Схема d иллюстрирует протон управляемую АТФ-синтазу из FoF1 или A1Ao типа в качестве примера для вторичного преобразователя энергии. D, донор электронов; Ac, акцептор электронов.)

В зависимости от субстрата использовали разные доноры электронов. Гидрогеназы используется в процессе роста на H2 плюс CO₂, CO дегидрогеназы (или восстановленный ферредоксин: гетеросульфо оксидоредуктаза) используется в процессе роста на ацетате и F420 дегидрогеназы (F420, 5'-деазазафлавин, является универсальным электронным носителем в метаногенах) и формилметанофуран (формил-MF) дегидрогеназы использовались во время роста на содержащих метильную группу Cl– субстратах.

Рис. 21-3. Пути метаногенеза.[34].

Реакции, включенные в реакции в области энергосбережения, обозначены рамками. Восстановление метил-КоМ (реакции 6 и 7) является общим для всех метаногенных субстратов. В течение образования метана из H2 плюс CO₂, реакции от 1 до 5 действуют в направлении восстановления CO₂. Метильные группы метанола и уксусной кислоты вводятся в центральный путь на уровне H4MPT. При метаногенезе из метанола, одна четвертая метанола окисляется до CO₂ обратными реакциями 1 до 5; шесть полученных восстановительных эквивалентов используются для восстановления 3 молей метанола в метан. При метаногенезе из ацетата, карбоксильная группа окисляется до CO₂ и полученные электроны используются для восстановления метильной группы в ацетат.

F420, окисленная форма кофермента F420; F420H2, восстановленная форма F420; Н5-КоМ, КоМ (2-меркаптоэтан-сульфонат); HS-КоВ, КоВ (7-меркаптогептаноилтреонин фосфат); КoM-SS-КоВ, гетеросульфид Ш-КоМ и HS-КоВ.

Ферменты: 1, формил-MF дегидрогеназа, 2, Формил-MF: H4MPT формилтрансфераза и метенил-H4MPT циклогидролаза, 3, F420-метилензависимые дегидрогеназы H4MPT, 4, F420-метилензависимая редуктаза H4MPT, 5, метил-H4MPT: КоM – метилтрансфераза, 6, метил-КоM редуктаза, 7, гетеросульфид редуктаза системы (различные системы донора электронов указаны).

HSH₂CH₂SO₃

Рис. 21-4. Кофермент М

Рис. 21-6. Фактор 430

Рис. 21-7. Кофермент В

Рис. 21-8. Метанофеназин

Рис. 21-9. Тетрагидрометаноптерин

Рис. 21–10. Метанофуран

Н₂-зависимое восстановление гетеросульфида, катализируемое перевернутыми везикулами М. Мазей Col, сопровождалось транс-локацией Н+ в просвете везикул (рис. 21-2). Протонофоры ингибирровашие образование АТФ, но стимулировали перенос электронов, т. е. гетеросульфид восстановление. Электронный транспорт и синтез АТФ ингибировались АТФаз ингибитором N, N'-дициклогексилкарбодиимидом (DCCD), но ингибирование был снято путем добавления протонофоров. Эти эффекты явно напоминают дыхательный контроль, как это наблюдается в митохондриях и могут быть приняты в качестве доказательства того, что генерированный ДцБ+ управляется синтезом АТФ из АДФ и Pi.

Рис. 21-6. Коферменты и простетические группы метанобразующих архебактерий:

А – фактор F420;

Б – фактор F430;

В – метаноптерин;

Г – метанофуран;

R1-R3 – различные боковые цепи.

Промытые вывернутые визикулы выставляла строгую (муфту) связь между восстановлением гетеросульфида и синтеза АТФ, с максимальной стехиометрией 1Н+ перенесенный / е^- и 1ATP синтезированный/4e– [34].

Рис. 21-7. Предварительная схема потока электронов и транслокации протонов при восстановлении гетеросульфида H2 в качестве донора электронов. [34].

Эта последовательность реакций является частью метаногенеза от H₂-CO₂. Эта схема действует только для метилотрофных метаногенов, которые не содержат цитохромов и наличие метано-фенозина (МР) не было проверено. Гетеросульфид редуктаза не указана как протонная помпа, но это не может быть исключением априори. Эта схема основана на экспериментально полученной стехиометрии от перемещения от 3 до 4 H+ / метильной группы восстановления. P, периплазма; CM, цитоплазматическая мембрана; C, цитоплазму. (объяснения см. в тексте.)

F420H2 – зависимое гетеросульфид восстановление, как было показано, направляется транслокацией протонов в просвет вывернутых визикул М. Мазей Gо1, что приводит к генерации ??H⁺. Протонофоровы стимулировали восстановление гетеросульфида, но мешали ??H⁺ формированию и синтезу АТФ. Ингибитор DCCD АТФ-синтазы уменьшал скорость F420H2 – зависимого восстановления гетеросульффида. Риверсия этого DCCD-опосредованного ингибирования протонофорами и стимулирование F420H2 – зависимого гетеросульфид восстановление Адензиндифосфатом указывают на строгую связь между транспортом электронов и синтезом АТФ. F420H2 – зависимая гетеросульфид редуктазная система изображает стехиометрию 1 Н⁺ перенесенного/e– и 0,8 АТФ синтезируемой synthesized/4e– [34].

Рис. 21-8. Предварительная схема потока электронов и транслокации протонов при гетеросульфид восстановлении с F420H2 в качестве донора электронов.[34].

Эта последовательность реакций является частью метаногенеза из метанола, метиламинов и формиата. Эта схема действует только для метилотрофных метаногенов (см. Пояснения к рисунку. 22). F420, F420 кофермент; MP, метанофенозин, Р, периплазма; CM, цитоплазматическая мембрана; C, цитоплазма. (Объяснение см. в тексте.)

Было представлено доказательство того, что превращение СО в CO₂ и Н2 (?G ° ' = -20 кДж / моль) покоящимися клетками М. barkeri, связанно с синтезом АТФ [34]. Расщепление ацетил-КоА, как катализируемое монооксид углерода дегидрогеназой дает фермент-связанный СО и фермент-связанный метильной группы [34]. Последний передается через корриноидный белок к тетрагидрометаноптерин (H4MPT). Ферментсвязанный CO подвергается ферредоксин-зависимому окислению до двуокиси углерода, катализируемого монооксид углерода дегидрогеназой [34]. В восстановленной системе, состоящей из очищенной СО-дегидрогеназы, гетеросульфид редуктазы и ферредоксина, окисление СО связывали с восстановлением гетеросульфида. Тем не менее, скорость восстановления гетеросульфида увеличилась в 10 раз при добавлении мембран, что указывает на мембраносвязанные электрон транспортной цепи от ферредоксина к гетеросульфиду (рис. 21-7)[34].

Рис. 21-9. Предварительная схема, связывающих поток электронов и ранслокацию протонов к восстановлению гетеросульфида с СО в качестве донора электронов.[34].

Эта последовательность реакций является частью метаногенез из ацетата. Наличие метанофенозина (МР) в ацетат выращенных клетках не была проверена. Fd, ферредоксине, Р, периплазме; CM, цитоплазматическая мембрана; C, цитоплазму. (Объяснения см. в тексте.)

Окисление Метильной группы протекает через риверсионное восстановление CO₂ (реакции от 1 до 5 по фиг. 3 в окислительном направлении). Есть сведения, что формил-MF окисление сопровождается генерацией электрохимического ион потенциала через мембрану, либо протоны или ионы натрия [34]. Формил-MF-зависимое восстановление гетеросульфида связано с большими ° AG 'от -58 кДж / моль. В противоположность этому, ?G ° ' переноса электрона от F420H2 к гетеросульфиду значительно меньше (-29 кДж / моль). Так как физиологический акцептор электронов, используемых в окислении формил-MF в CO₂ неизвестен, ?G ° ' из формил-MF окисления не может быть вычислен. Тем не менее, средняя точка потенциала при рН 7 (Ем, 7) CO 2-формил-MF сопряжение -500 мВ, указывает, что низкопотенциальный электронный носитель может быть восстановлен. [34].

КОМПОНЕНТЫ ЭЛЕКТРОН ТРАНСПОРТНОЙ ЦЕПИ.

Так как мало известно о формил-MF-зависимой гетеросульфид восстановлении, только F420, H2-и CO-зависимые системы будут здесь рассматриваться.

Гетеросульфид редуктаза. Реакция, катализируемая гетеросульфид редуктазой напоминает восстановление полисульфида, катализируемое некоторыми бактериями и археями. S-S связи полисульфида могут быть ваосстановлены Н2 в качестве внешнего донора электронов, и эта реакция сопряжена с сохранения энергии [34].

Гетеросульфид редуктазы были впервые выделены из H2-CO₂-выращенному М. thermoauto-trophicum. Фермент содержал три субъединицы с молекулярной массой 80 (HdrA), 36 (HdrB) и 21 (HdrC) кЭа и (на моль гетеротримера) примерно 1 моль флавин-адениндинуклеотида (FAD), 20 моль негемового железа и 20 моль кислотно-лабильной серы [34]. Кодирующие гены были клонированы и секвенированы. Сравнение последовательностей показало, что HdrA гавани четырех [4Fe-4S] кластеров и связывает FAD. HdrC рассматривается как электрон переносящий белок с двумя [4Fe-4S] кластерами и короткий участок из гидрофобных аминокислот, которые могут прикрепить комплекс к мембране. Интересно, HdrB идентичен субъединице С сукцинатдегидрогеназы (SDH) из Acidianus ambivalens и Sulfolobus acidocaldarius.

Комплекс гетеродисульфид редуктазы, который также содержат донор электронов, F420-нереакционноспособной гидрогеназы, был выделен из мембран ацетат выращенных клеток М. barkeri. Этот комплекс содержал девять субъединицы 46, 39, 28, 25, 23, 21, 20, 16 и 15 кДа, три из которых являются подразделениями F420-нереактивной гидрогеназы. Мономерная гетеросульфид редуктаза содержала 0,7 моль цитохрома б (цит. б) и 18 мол негеминового железа и кислотно-лабильную серу.23 кДа субъединица осуществляется cytb [34].

Гетеросульфид редуктаза была очищена из мембран метанол выращенных М. barkeri, а кодирующие гены были клонированы и секвенированы [34]. Редуктазы, состояли только из двух субъединиц с молекулярной массой 46 (HdrD) и 23 (HdrE) кДа. Фермент содержал 0,6 моль цит б и 20 мол негеминового железа и кислотно-лабильную серу на моль гетеродимера. Биохимические и молекулярные данные показали, что HdrE есть ab-тип цитохрома с пятью потенциально трансмембранными спиралями. HdrD содержит два [4Fe-4S] кластера, а их N и C концы аналогичны HdrC и HdrB из M. thermoautotrophicum, соответственно, что указывает на HdrD М. barkeri и HDRC и HdrB М. thermoautotrophicum функционально эквивалентны. Хотя небольшое количество ФАД было найдено в гетеросульфид редуктазе М. barkeri, было показано, что восстановление гетеросульфида не зависела от ФАД. Более того, ни связанный FAD сайт не был найден в выведенной аминокислотной последовательности фермента [34], который в отличие от фермента из водородотрофных метаногенов.

Из мембран клеток ацетат выращенных Methanosarcina thermophila, две субъединицы гетеросульфид редуктазы (53 и 27 кДа) были выделены. Малая субъединица содержит 2 мол цитохрома; большая субъединица содержала два различных [Fe4S4] 2/1 кластеров. Один гемм есть высокоспиновой гем с промежуточным потенциалом -23 мВ, тогда как низкоспиновый гем, имеет промежуточныйпотенциал -180 мВ. Промежуточные потенциалы для двух кластеров -100 и -400 мВ [34].

Гидрогеназы. Гидрогеназы являются отправной точкой для электронов, полученных от молекулярного водорода. Из четырех типов гидрогеназ, выделенных из метаногенов на сегодняшний день, один, как было четко показано, участвуют в системе энергозапасания. 420-реактивная гидрогеназа реагирует с F420 и виологен красителем, в то время как F420-нереактивная гидрогеназа вступает в реакцию только с красителями виологен. Последний фермент поэтому часто называются метилвиологен-реактивная гидрогеназа. Функция F420-реактивной гидрогеназы в энергетическом обмене все еще является предметом для обсуждения [34]. С другой стороны, существуют убедительные доказательства того, что F420-нереакционноспособные гидрогеназы являются донором электронов для мембранно-связанной цепи переноса электронов. В метилотрофных метаногенах, F420-нереакционно-способная гидрогеназ находится во фракции субъединиц. Фермент, очищенный из M. mazei G?1 был составлен из двух субъединиц, содержащих окислительно-восстановительные активности никель и железо-серные кластеры [34].

Молекулярный анализ показал, что M. mazei G?1 содержит два оперона, кодирующих изоферменты, обозначенные как vho, назначенных VHO для виологен-реактивной гидрогеназы 1 и vht для виологен-реактивной гидрогеназ 2. Оба оперона кодирует структурные субъединицы гидрогеназа (VhoG, VhtG, VhoA и VhtA), и ген, кодирующий цит б (VhoC и VhtC), это означает, что эти цитохромы b являются естественными акцепторами электронов от двух F420-нереакционно-способных изоферментов. Малая субъединица содержит лидер пептид, который предполагает, что каталитическая часть фермента лицуется периплазмой [34]. Интересно, что C-концы двух цитохромов б не гомологичны, указывая, что они взаимодействуют с различными белками. Действительно, Нортенблот анализ показал, что экспрессия изоферментов является субстрат зависимой. vho видимо конструктивно выражается, в то время как VHT была выражена только во время роста на H2-CO₂ или метанола [34]. Таким образом, было предположение, что продукты VHO гена являются частью системы редуктазы heterodisulfide в то время как vht генных продуктов, которые участвуют в потоке электронов от CO₂ в ходе реакции формил-MF дегидрогеназы [34].

F420 дегидрогеназа. F420H2 дегидрогеназы является точкой входа для электронов, полученных при окислении F420H2. Фермент был впервые выделен из Methanolobus tindarius после солюбилизации из мембран с моющими средствами [34]. Кажущаяся молекулярная масса нативного фермента составляла 120 кДа; он состоял из пяти различных субъединиц 45, 41, 22, 18 и 17 кДа. Фермент содержал 16 мол негеминового железа и 16 моль кислотно-лабильных серы на моль, но флавин не был обнаружен. Ген, кодирующий 40 кДа субъединицы (ffdB ), клонировали [34]. Анализ последовательностей, удлинение праймера и обратной транскрипции– PCR указывали, чтоt ffdB является частью оперона, несущий три дополнительных гена (ffdA, FFDC и ffdD). FfdA подобен F420-зависимой метилен-H4MPT-редуктазе. Первые 90 аминокислот FFDB аналогичны многочисленным ферредоксинам, что указывает на вероятность присутствия по крайней мере двух железосерных центров. FFDC и FfdD аналогичные белкам с неизвестными функциями из Methanococcus jannaschii и Archaeoglobus fulgidus. FfdD, очевидно, очень гидрофобный и, вероятно, может быть мембранным якорем. Недавно F420 дегидрогеназы были очищены из М. Мазей Col и сульфатредуцирующего архея А. fulgidus [34]. Флавины были обнаружены в обоих ферментах. Таким образом, вполне вероятно, что флавины также присутствовали в ферменте из M. tindarius но потерены во время очистки.

МЕМБРАН-ИНТЕГРАЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ НОСИТЕЛЬ

Метаногены относительно к их мембранно-интегральным электроным носителям, и, таким образом, вероятно, относительно к механизму протонной транслокации, можно разделить на две группы: метилотрофные организмы, в которых различные В-и С-типа цитохромы были найдены, и водородотрофные метаногены, которые лишены цитохромов [34]. В водородотрофных метаногенах, ситуация далеко не решена; полиферридоксины, описанные выше, и недавно описанный флавопротеин кодируемый геном fpaA [34] являются единственными переносчиками электронов, определенными до сих пор.

В метилотрофных метаногенах, есть несколько линий доказательства участия цитохромов в транспорте электронов от F420-нереактивной гидрогеназы к гетеросульфиду в метилотрофных метаногенах. Во-первых, мембраны ацетат выращенных клеток катализируют Ж-зависимое восстановление цитохромов [34], и, во-вторых, hdrE (обозначенного cytb₂) является частью оперона редуктазы гетеросульфида и было выражено во время роста на H2-CO₂ [34]. Vhooperon кодирующий цит bl наряду с структурными субъединицами F420-нереактивной гидрогеназы был также выявлен во время роста на H2-CO₂. Таким образом, поток электронов от F420-нереактивной гидрогеназы через цитохромы b₁ and b₂ к гетеросульфиду может быть предусмотрен (рис. 20–23).

Эксперименты, проведенные с M. mazei убедительно показывают, что один или несколько цитохромов также участвуют в транспорте электронов от F420H2 к гетеросульфиду [34]. Мембраны М. mazei G?l содержат два B-и два C– типа цитохрома с промежуточным потенциалом (Em, 7) от -135 и -240 мВ (b – типа цитохромов) и -140 и -230 мВ (с-типа цитохромов) Цитохромы были восстановлены F420H2 и окислялись гетеросульфидом с большой скоростью. Добавление гетеросульфида к восстановленным цитохромам и последующая низкотемпературная спектроскопия показала окисление цит б ₅₆₄. Это указывает на участие цитохромы в транспорте электронов от F420 с помощью цитохрома В к гетеросульфиду.

Другой класс мембранных носителей электронов было обнаружено в последнее время [34]. Мембраны метаногенов не содержат типичные хиноны, обнаруженные в аэробных бактериях и архебактериях. Однако извлечение мембраны из клеток метанол-выращенного М. mazei G?l с изооктаном дала фракцию, содержащую окислительно-восстановительную активность, низко молекулярное соединение, идентифицированное как производное феназина – метано-феназин.

Рис. 21–10. Структура и реакционная способность метанофеназина, мембран-интегрального переносчика электрона и водорода у метаногенов.

Структура и реакционная способность метанофеназина приведены на рис. 20–26. Метанофеназин восстанавливался F420 дегидрогеназой или гидрогеназой, и восстановленный метанофеназин затем восстанавливал гетеросульфид [34]. В восстановленной системе, состоящей из очищенных F420 дегидрогеназы и гетеросульфид редуктазы, метанофеназин посредник в переносе электронов от F420 к гетеросульфиду [34]. Метанофеназин был выделен из клеток метанол-выращенной M. mazei G?1, но он, вероятно, также участвуют в транспорте электронов к гетеросульфиду от других доноров, т. е. формила-MF и СО. Самый интересный вопрос, присутствует ли метанофеназин в водородотрофных метаногенах, еще предстоит решить.

ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ОБРАЗОВАНИЯ AMH+ В СОЧЕТАНИИ С ПЕРЕНОСОМ ЭЛЕКТРОНОВ.

В метилотофных метаногенах, F420-нереакционноспособные гидрогеназа локализована в периплазме, как выведено из его лидерной последовательности и его гомологии в мембран-связанной, цитохром содержащих бактериальной гидрогеназе. Формирование протонного потенциала может быть легко предусмотрено, так как поглощение Ы2 и перенос электронов на акцептор электронов приведет к освобождению скалярных протонов на внешней цитоплазматической мембранен. Тем не менее, Ы+ / CH4 стехиометрия от 3 до 4 (измеренная в М. Barkeri при метаногенезе из метанола-H2 [57]) не может быть объяснено только скалярными протонами. Это оставляет нас с вопросом о характере векторального протонного насоса. Поток электронов от F420H2 к метано-феназину, а также от восстановленного метанофеназина к гетеросульфиду, подключен к транслокации протонов, что указывает на присутствие двух соединительных сайтов. F420H2 дегидрогеназы и H-транслокационная бактериальная НАДН-дегидрогеназа имеют в общем сложную структуру и наличием флавиновых и железо-серных центров.[34].

Таким образом, это наводит на мысль, что F420H2 дегидрогеназы, как NADH дегидрогеназы, являются протонными помпами. Не известно яваляется ли гетеросульфид редуктаза сама по себе протонной помпой. Гены, кодирующие гидрогеназы, гетеросульфид редуктазы, и часть F420 дегидрогеназ известны, но сходство выведенных белков субъединицы NADH дегидрогеназы или цитохром оксидазы слишком низки, чтобы позволить идентификацию полипептидов, участвующих в транспорте протонов.

С открытием метанофеназина появилась другая возможность. По аналогии с убихиноновым циклом в bc₁ комплексе, вполне вероятно, что перенос электронов от цит б 1 к метанофеназину соединен с протонным поглощением из цитоплазмы. Восстановленный метано-феназин затем отдает свои электроны cyt b ₂, а протоны высвобождаются в периплазму. H⁺ / E-стехио-метрия такого механизма будет зафиксирована на уровне 1H / E^-.

Натривая Биоэнергетика Метаногенезиса.

Кроме протондвижущей электрон транспортной цепи метаногены имеют первичную натрий-ион помпу., метил-Н4МРТ: CoM метилтрансферазу [34]. Этот фермент является частью центрального пути, и, следовательно, Na⁺ транспорт является обязательным для образования метана. Этот фермент представляет собой первый пример метил-трансферазный катилизирующий ион транспорт через мембрану. Поскольку центральный путь обратим, этот фермент функционирует как генератор натрия ионного потенциала в течение метаногенез из CO₂ или ацетат но, как эндергоническая реакция, управляемая натрий ион потенциалом в процессе окисления метильной группы, которая должна быть выполнена в течение метаногенеза из содержащего метильную группу, Cl соединения (380 гюн). В отличие от цитохромов и в результате различий в электронной транспортной цепи, метилтрансфераза находится в каждом Метаногене, и нет никаких оснований предполагать, различные механизмы реакций.

Энергетика метилтрансферазы впервые была исследована с помощью клеточных суспензий М. barkeri и комбинацией субстратов H2-формальдегид. При добавлении субстрата, ионы натрия были активно экструдированны из цитоплазмы, в результате генерировался трансмембранный градиента Na -60 мВ. Na⁺ транслокация не ингибируется протонофорами или ингибиторами Na⁺-H⁺ антипортера, что указывает на первичный механизм. Этот процесс приводит к образованию устойчивого протонофорного мембранного потенциала -60 мВ, соответственно, протонофоры вызвали образование обратного ?pH (внутри кислый) той же величины, что и ?? [34]. Na⁺-формальдегидная стехиометрия от 3 до 4 была определена с клеточными суспензиями [34]. При использовании вывернутой везикулы М. Мазей Col, метилтрансфераза была идентифицирована в качестве Na⁺ насоса, что затем подтверждено с очищенным ферментом в восстановленной липосоме. Эти протеолипосомы катализировали электрогенный транспорт Na⁺ с стехиометрией 1,7 моль Na на моль деметилированного метил-H4MPT [34].

Метилтрансфераза содержит кофактор Coa-[a-(5-гидрокси-бензиминдазолил)] кобамид (фактор III), который участвует в передаче метила [34]. Кофактор и его супервосстановленная Co ®-форма принимает метильную группу от метил-H4MPT, что приводит к промежуточному продукту – метил-Co (III). Во второй части реакции этот метил-Co (III) подвергают нуклеофильной атаке, вероятно, тиолятным ионом CoM, чтобы образовать метил-CoM и регенерироваться в Co (I) [34]:

Уравнение 3 имеет изменение свободной энергии от -15 кДж / моль и не стимулируется ионами натрия. С другой стороны, деметилирование энзимсвязанного корриноида (реакция 4) также сопровождается изменением свободной энергии от -15 кДж / моль, и эта реакция ионнатрий зависимая, с полумаксимальной активностью полученной при примерно 50 ?M Na⁺. Этот результат показывает, что деметилирование фермент-связанного корриноида сопряжено с транслокацией иона натрия [34] (рис. 20-7).

Рис. 21–11. Гипотетическая схема механизма реакции транслокации Na⁺-метил-H4MPT: CoM-метилтрансфераза.

Фермент представляет собой мультисубъединичный фермент, состоящий из восьми неодинаковых субъединиц с неизвестной стехиометрией. Реакцию можно разделить на две частичных реакций метилирования и деметилирования фермент-связанного корриноидного ко-фактора. Реакции деметилирования, по-видимому, связана с транспортом Na+. Co (I) и Co (III) обозначают различные валентных состояниях фермент-связанного корриноидного кофактора. Н5СоM, CоM (2-меркаптоэтансульфонат), P, периплазма; CM, цитоплаз-матическая мембрана; C, цитоплазма. (объяснения см. в тексте.)

Метилтрансферазы были очищены из М. hermoautotrophicumt и M. mazei G?1 [34]. В последнем шесть субъединиц были найдены, с кажущейся молекулярной массой 34, 28, 20, 13, 12 и 9 кДа и содержанием [4Fe-4S] кластера с E₀ ' от -215 мВ и базовой по кобамиду со стандартным восстановленным потенциалом -426 мВ для Co²⁺/¹⁺ пара [34]. В М. thermoautotrophicum, восемь субъединиц были найдены, с кажущейся молекулярной массой 34 (MtrH), 28 (MtrE), 24 (MtrC), 23 (MtrA), 21 (MtrD), 13 (MtrG), 12.5 (MtrB), and 12 (MtrF) kDa.. Очищенный фермент содержит 2 моля корриноида, 8 моль негемового железа и 8 моль кислотно-лабильной серы [34]. Кодирующие Гены, были сиквестированны из ряда метаногенов; они организованы в оперона в порядке mtrEDCBAFGH. Гидрофобность участков показывают, что все из субъединиц кроме MtrA и MtrH являются гидрофобными и, возможно, связаны с мембраной. Совсем недавно, мембранную локализацию MtrD была подтверждено экспериментально для M. mazei G?1, M. thermoautotrophicum, and M. jannaschii [34]. Эта субъединица может принимать непосредственное участие в Na+ транспорт [34].

Синтез АТФ в метаногенах

Как известно, метаногены являются только микроорганизмами в получении двух основных ион градиентов ??Na⁺ и ??H⁺, в то же время. Они, таким образом, сталкивается с проблемой сопряжения ионных градиентов в синтезе АТФ [34]. Как на самом деле все еще является предметом для обсуждения. Там были противоречивые сообщения, рассматривающие ??Na⁺ управляемый синтез АТФ в водородтрофном археоне М. thermoautotrophicum. Smigan и сотрудники [34] имели указания, что Na⁺ – АТФаза вместе с Н⁺ – АТФазой, в то время как Kaesler и Sch?nheit выделяют механизм, в котором ??Na⁺ установленный метилтрансферазной реакцией преобразует во вторичный протон градиент, который затем направляет синтез АТФ с помощью Н⁺ -транслокации A1Ao АТФазы [34].

Последняя гипотеза подтверждается тем фактом, что геномы водородотрофных Метаногенов М. jannaschii и М. thermoautotrophicum содержат гены, которые кодируют A1Ao АТФазы, но не имеют тех F1Fo АТФазы [34]. С другой стороны, исследования посредством дифференциальных ингибиторов указало на одновременное присутствие обоих A1Ao и F1Fo АТФ-синтазы в М. mazeiG?1 [34]. Фермент A1Ao может быть соединена с H⁺ транспорта, в то время как F1Fo АТФазы может быть Na+ связанными. Однако ни F1Fo АТФазы не могли быть очищены из M. mazei G?1, не были обнаружены кодирующие гены, В другом организме, М. barkeri MS, ген, кодирующий кластер F1Fo АТ-Фазы был определен в дополнение к архейным генам A1Ao АТФазы [34], однако выведение ? субъединицы очень необычно и, предположительно, нефункционально, и не найден ген кодирующий субъединиц ?.

Поскольку мРНК транскрипта не могли быть обнаружены в клетках, выращенных на метаноле, очень сомнительно, что FlFo-как гены экспрессируются в М. barkeri [34]. Присутствие обоих FlFo и AlAo было также предложено для галобактерий [34]. Скорее всего, гены FlFoATPase определенно присутствуют хотя бы в М. barkeri MS возникли из горизонтального переноса генов. В соответствии с этим аргументом является открытие АТФазам V1Vo в бактериях [34]. Тем не менее, наличие в АТФазам F1Fo Methano-sarcinaspecies еще должно быть доказано биохимически, и, если они присутствуют, их вклад в энергетический обмен должен быть уточнен. Очевидно, что механизм ??Na⁺ управляющий синтез АТФ отличается среди метаногенов. Структура и функции АТФазы A1Ao обсуждаются ниже ("Вторичное преобразовании энергии»).

21.3. Биоэнергетика ацетил-КоА пути в Archaea и бактерий: сходства и различия

Одним из основных отличий между анаэробными бактериями и архебактериями, которые используют ацетил-КоА, является способом, которым CO₂ активируется. У бактерий, для этого требуется действие формиатдегидрогеназы и формилтетрагидрофолат синтазы, за счет гидролиза АТФ. В обратной реакции окисление формил-тетра-гидрофолата соединено с синтезом АТФ на уровне субстратного фосфорилирования [34]. В метаногенах, низким окислительно-восстановительным потенциалом [CO₂+ MF] / [формил-MF] пары приблизительно -500 мВ [34] преодолевается, но не путем гидролиза АТФ, а обратный поток электронов направляется трансмембранным ион (H⁺ или Na⁺) потенциалом [34].

В то время как все испытанные метаногены до сих пор требуют Na для роста и образования метана [34], гомоацетогены могут быть разделены на две группы по отношению к их метаболизму энергии, протон организмы и ионнатривые микроорганизмы. В последней, пока еще не идентифицированный первичный насос иона натрия действует. Так как эти организмы имеют мембраносвязанные корриноиды, было предположено, что метилтрансфераза является насосом ионов натрия [34]. Если это так, то это позволило бы изучить эволюцию Na-транслокации метил-трансферазами.

Градиент Na⁺, созданный в метаногенах, связан с синтезом АТФ, но механизмы, участвующие, по-прежнему, являются спорными и могут отличаться между различными метаногенам. В гомоацетогенах, Н – транслокация АТФазам находятся в протон организмах [34], но Na⁺ – транслокирующие F1Fo АТФ-синтазы был найден в Na⁺-зависимом гомоацетогене Acetobacterium woodii [34]. Нахождение Na⁺ – АТФ-азы в гомоацетогенах укрепляет предположение, что Na⁺-АТФазы также присутствуют в метаногенах.

21.4. Атефазы метаногенов

Клеточные функции A1AoATPaз из метаногенов. A1Ao АТФазы были очищены из различных метаногенов, но нет прямых экспериментальных доказательств того, что архейные АТФазы действительно АТФ-синтазы. Тем не менее, есть неопровержимые косвенные доказательства в пользу этого предположения [34]. Кроме того, недавно опубликованные последовательности геномов двух метаногенов, М. jannaschii [34] и М. thermoautotrophicum [34], показали наличие генов, кодирующих A1Ao АТФазы, но не гены, кодирующие F1Fo АТФазы. Поскольку ионный градиент управляемого фосфорилирования является единственным способом для этих организмов для синтеза АТФ, это самое убедительное доказательство того, что делает A1Ao АТФазы функции АТФ-синтазы в естественных условиях.

Особенности АТФаз из метаногенов. Н+-транслокирующая АТФаза M. mazei является наиболее исследованной и подробно описанной метаногенной АТФазой. Информация о других АТФазах из метаногенов фрагментарна и целостность препаратов вариабельна, час-то отклоняясь от полипептидной композиции предсказанной последовательности ДНК. Кроме того, сообщалось, что ингибирующие чувствительности были определены при неоднородном условиях, либо с мембраной или солюбилизированными формами. Кинетические данные (Км, Kd и Ki значений) и титрование числа нуклеотидных сайтов связывания недоступны. Судя по всему, низкая эффективность растворения и плохая стабильность полностью нетронутого комплекса АТФазы препятствуют подробным функциональным исследованиям.

Структура AlAoATPase-кодирующих генов в архей. Гены, кодирующие полипептиды, аналогичный обозначены той же схемой. Гены, кодирующие гидрофобные полипептиды отмечены звездочками. Предполагается, но не подтверждается экспериментальными данными, MT0952 и MJ0614 связаны с АТФазы или сборки. Для гена полипептида переписка, см. текст.

Морской метаноген М. tindarius имеет мембранную АТФазу, которая состоит из четырех полипептидов [34] и, вероятно, напоминает головной убор из гидрофильных комплексов АТФ-синтазы, это АТФа-зы сильно ингибируются нитратами, типичными ингибиторами вакуолярных АТФаз. Ни этот, ни любые другие АТФазы из метаногенов не были чувствительны к азиду, типичному ингибитору F-типа АТФазы.

Ацетокластический метаноген Methanothrix thermophila имеет А-тип АТФазы, что был экстрагирован детергентами, он был стимулирован шестикратно сульфитом и имел температурный оптимум 70 °C (242 гюн). DCCD сильно ингибирует активность обоих мембраной и растворимые формы. N-концевое секвенирование из пяти составных полипептидов 67 (A), 52 (В), 37, 28 и 22 кДа, показал высокую гомологию с другими членами семьи архейных АТФазы. То же самое относится к трем полипептидам (80, 55 и 25 кДа) фрагментарной АТФ-синтазы, изолированной из Methanococcus voltae [34], которая, как предполагается, выполняет ??Na управляемый синтез АТФ.

Рис. 21–12. Структура генов кодирующих A1AoATPaзы у архей. Гены, кодирующие полипептиды, аналогичный обозначены тем же шаблоном. Гены, кодирующие гидрофобные полипептидов отмечены звездочками. Предполагается, но не подтверждается экспериментальными данными, что MT0952 и MJ0614 связаны с АТФазой или сборкой. Для гена полипептида переписка, см. текст. [34]

Генетическая организация известных А1АоАТРазных Генов кодирующиех А1Ао АТФазы были клонированы из трех метаногенов, М. jannaschii [34], М. thermoautotrophicum AH [34], M. mazei [34], а также из архей А. fulgidus [34] и Pyrococcus horikoshii [34]. Некоторые из генов, кодирующих А1Ао АТФазы гипертермофила С. acidocaldarius [34], и Desulfurococcus зр. [34], а галлофила H. volcanii [34], также известны.

Как видно из рис. 20–28, общая генетическая организация А1Ао генов АТФазы в трех метаногенах, а также в А. fulgidus и Р. horikoshii, практически идентичны. Ген, кодирующий гидрофильный полипептид сопровождается двумя генами, кодирующими гидрофобные субъединицы. Остальные гены кодируют гидрофильные субъединицы. Последний ген в aha опероне M. mazei, ahaG, имеет гомолог в том же положение в V1Vo АТФазы оперона из Enterococcus hirae (ntpH) [34], и в А1Ао АТФазе оперона из S. acidocaldarius (atpE) (118 ген), но нет однозначных гомологов у других представителей Археа. Таким образом, остается открытым вопрос связан ли aha G с функцией АТФазы или сборки.[34].

Полный aha ген кластера M. mazei транскрибируется как единое 9-kb сообщение. Выше ahaH есть АТ-богатый регион, который содержит две потенциальные археальные промоторные последовательности. Интересно, что дополнительное сообщение о 0,64 кб, который покрывает только ahaK, ген, кодирующий протеолипид [34]. Это имеет особое значение, так как протеолипид присутствует от 9 до 12 копий в молекуле фермента и, следовательно, микроорганизмы должны были бы разработать механизмы для обеспечения усиленного синтеза протеолипида по сравнению с другими. В кишечной палочке, гены АТФаз-кодирующие гены образуют полицистронный оперон, и высокий уровень синтеза протеолипида достигается повышением транслакации. Протеолипидкодирующий ген из M. mazei также является частью полицистронного сообщения, но не присутствует поступательный усилитель мотива. В этом случае относительно высокое копирование числа протеолипида, по-видимому, достигнуто такой дополнительной транскрипцией протеолипид-кодирующего гена.

АТФазные гены M. jannaschii организованы в два кластера, которые разделены на 334 kbp (рис. 20–28). Это следует иметь в виду при выведении минимального числа субъединиц необходимы для АТФазы и собраний в архей из последовательности генов. По-видимому, только один кластер генов АТФазы был обнаружен в S. acidocaldarius and H. volcanii. В настоящее время, можно предположить для архей, что от 9 до 10 генов связаны с функцией АТФазы и сборки.

Рис. 21–13. Гипотетическая структура A1Ao АТФазы M. Mazei.

Модель основана на экспериментальных данных и по аналогии с F1Fo и V1Vo АТФазам. Не ясно являются ли AHAG и AhaH важной частью структуры. Локализация AhaC, AhaD, AhaE, AhaF, AhaG, and AhaH является спекулятивной. Следует отметить, что эта модель не применяются ко всем methanoarchaeal АТФазы, по количеству протеолипидных мономеров может отличаться в зависимости от размера мономера. Кроме того, гомологи AHAG не могут быть отождествлены с уверенностью в других археях.

Метаногены могут использовать в качестве источников энергии и углерода ограниченное количество субстратов – всего 8: CO₂ + H₂, формиат, закись углерода, метанол, ацетат, моно-, ди– и триметиламины.

Среди них в современную геологическую эпоху наиболее важным является ацетат, из которого при разложении сложных органических веществ образуется более 70 % метана, и водород – 30 % метана.

Почему эти сложные биологические процессы с начала 20-го века стали использоваться для очистки жидких стоков городов на станциях аэрации?

Эмпирически было установлено, что при метановом брожении происходит кратное уменьшение концентрации органических веществ, то есть к значительному очищению этих стоков.

Еще при изучении физиологии накопительных культур метаногенов было показано, что на каждый моль углерода, усвоенного клеткой на ее биосинтез, 8-10 молей превращается в метан.

Исследования энергетики метаногенных реакция, указанных выше, показало, что синтез молекулы метана является процессом, сопряженным с накоплением энергии в виде АТР, одного из основных аккумуляторов энергии в биомире.

Американская исследовательница Тереза Стадтман [2] в конце 50-х годов ХХ века первая просчитала возможный выход энергии на каждой стадии восстановления CO₂ в метан:

– 12.8 ккал/м

СО₂ -> СНО -> СН₂О -> СН₃ -> СН

Исходя из этих расчетов, было предположено, что образование энергии у метаногенов сопряжено с синтезом молекулы метана.

В 1970 г. американский исследователь Роберт Вольф с сотрудниками показал, что синтез метана чистыми культурами одного из метаногенов из смеси углекислоты и водорода сопряжен с накоплением энергии в виде синтезируемой внутриклеточно АТФ. [2].

4Н₂ + СО₂ -> СН₄ + Н₂О + АТФ

1. Синтрофная культура Methanobacillus kuzneceovii была выделена из термофильного метантенка (53 °C), перерабатывающего ацетоно-бутиловую барду с добавлением 5 % метанола и солей кобальта для биосинтеза витамина В-12, Грозненского АБЗ и описана в 1968 г.

В 1969-71 годах в Институте биохимии им. А.Н.Баха АН СССР были проведены исследования на бесклеточных экстрактах этого симбионта, в состав которого, как позже было установлено, входил хорошо к настоящему времени изученный метаноген Methanobacterium Thermoautotro-phicum, по синтезу молекулы метана из метильной группы метил-В-12 и влиянию на эту реакцию «Аденилатного контроля», или влиянию соотношения АТФ, АДФ и АМФ на синтез молекулы метана. [2].

Было установлено, что синтез молекулы метана из метильной группы регулируется аденилатным контролем, то есть эта реакция связана непосредственно с сопряженным образованием энергии мембраны

АТФ, АДФ, АМФ

СН₃ – В-12 + Н₂ -> СН₄ + Н-В₁₂

2. В 1973 г. Панцхава Е.С. и Сыромятниковым Е.Ю. было установлено, что для биосинтеза молекулу метана из метильной группы метил-кобаламина требуются субклеточные структуры, то есть структуры подобные мембранам, как это имеет место в митохондриях. [2].

Эти данные были сначала подтверждены группой канадских исследователей, а затем более тщательно на чистых культурах голландскими исследователями под руководством проф. Фогеля.

В 1973 г. Панцхава Е.С. впервые показано, что бесклеточные экстракты симбионта Mbac. Kuz-neceovii способны к фотобиохимическому синтезу метана.

hy

СН₃-В12 + Н₂ -> СН₄ + Н-В12

Фотоакцептором электронов является фактор 420, ранее выделенный Р. Вольфом. Этот фактор присутствует у всех метаногенов.

В 1976 г. Панцхава Е.С. и Букин В.Н. описали фотообразование Н₂ бесклеточными экстрактами Mbac. Kuzbeceovii. [2].

Позднее Панцхава Е.С. и В. Никандров (Институт биохимии им.

А.Н. Баха АН СССР) показали, что в присутствии этого фактора под воздействием света происходит восстановление НАДФ в НАДФ-Н, то есть фактор 420 участвует в фотовосстановлении НАДФ, одного из универсальных переносчиков электрона в клетке и одного из доноров электронов при сопряженном образовании энергии в клетке с участие мембранных структур.

hy

НАДФ + Н₂ + ф420 -> НАДФ-Н + ф420-Н

Таким образом, было показано, что метан является продуктом энергетического обмена метаногенов, его синтез сопряжен с аккумулированием энергии в виде трансмембранного потенциала за счет функционирования протонного иди натриевого насоса. Для образования энергии, необходимой для синтеза 1 моля АТФ, метаногенные бактерии должны на каждые 100 частей утилизируемого углерода превратить в метан до 90–95 частей, и только 5-10 частей углерода конвертируются в углерод клеточных веществ… То есть при незначительном образовании клеточной массы эти бактерии превращают значительную часть органического субстрата в ценное газообразное топливо, существенно снижая концентрацию органических веществ.

Физиологические особенности метаногенов, биосинтез молекулу метана, сопряженный с образованием энергии в клетке метаногена, фотосинтез молекулы метана-позволили в 1970-71 годах на основании теории академика А.И. Опарина «О происхождении жизни на Земле» выдвинуть гипотезу о времени возникновения метаногенов и их возможной роли в эволюции живого.

В доисторическое эпоху – 4.5–5.0 миллиардов лет назад– атмосфера молодой земли состояла из метана, водорода, углекислого газа и азота. Кислород отсутствовал. То есть были все условия для развития метангенерирующих бактерий, особенно тех видов, которые синтезируют метан из водорода и углекислоты.

Позднее (1977 г.) Благодаря работам К. Везе и гипотезе Дж. Ф. Кастинга было предложено, что эта группа бактерий в Архейский (4–3 млрд. лет назад) период эволюции земли была высшим этапом развития живого на земле, так как их энергетический аппарат был значительно сложение энергетического аппарата примитивных бродильщиков, получающих энергию за счет процессов субстратного фосфорилирования, типа гликолиза.

Это был этап развития водородной биоэнергетики аналогично дыханию в присутствии кислорода.

Более того, известно, что значительная концентрация углекислоты в атмосфере препятствует прохождению солнечных лучей, необходимых для фотосинтеза и образования кислорода.

Метаногены, утилизируя углекислый газ, активно снижали его концентрацию и способствовали проникновению солнечных лучей к водной поверхности земли, где и происходила в то время основная примитивная жизнь на уровне бактерий.

А их фотобиохимические особенности ускоряли эти геопроцессы и способствовали развитию организмов, способных к фотосинтезу.

Метаногены – это тупиковая ветвь древнейших анаэробных бактерий, использующих для синтеза энергии водород. К тому же он был со временем полностью поглощен из атмосферы. Нужны были новые источники электронов и новые их акцепторы. Таким мощным источником стала вода, отдающая электрон под воздействием света, а акцептором стал кислород, образующийся при фотосинтезе.

Гипертермофильные и термофильные метаногены (подробнее см. ниже), поглащая молекулярный водород и диоксид углерода, занимали главенствующую роль в период Архея в развитии живого на Земле и синтезировали не только метан, который определял и состав древней атмосферы, но и образовывали воду, тем самым консервируя водород – один из основных источников электронов в последующей эволюции живого.

Позднее (1978 г.), эта гипотеза о времени происхождения метаногенов была подтверждена американскими исследователями, изучивших структуры РНК и ДНК метаногенов.

Очень важные данные получены при исследовании рРНК. Оказалось, что по последовательности нуклеотидов 16s РНК метанобразующие бактерии отличаются от всех других организмов

Их отнесли к древнейшим бактериям– АРХИБАКТЕРИЯМ.

Глава 22. Экстремальные гипертермофильные метаногены

(Мезофильные и психрофильные представители Археа – это экзотическое существование для них).

По отношению к температуре большинство метаногенов является мезофилами с нижней границей около 15 °C. Поиски психрофилов или психроактивных форм затруднены из-за крайне медленного роста, но такие организмы существуют. Так, психрофильный метаноген Methanococcoides burtonii имеет минимальную температуру роста -2,5 °C при максимальной – +28 °C.

Среди метаногенов много термофилов, в том числе и экстремальных, развивающихся в гидротермах при температуре до 98 °C, как Methanopyrus, 85 °C, как Methanothermus, Methanocaldococcus, 70 °C, как Methanobacterium thermoautotrophicum, послужившая важнейшей моделью для исследования метаногенов.

По отношению к минерализации среды метаногены делятся на группы пресноводных, к которым относится большинство метано-бактерий и метаносарцин; морских метаномикробов, галофильных метанотрофов, в том числе экстремальных, как Methanohalobium. [48]

1. Methanopyrus kandleri AV19

Царство: Архей Тип: Euryarchaeota Класс: Methanopyri Порядок: Methanopyrales Семейство: Methanopyraceae Род: Methanopyrus Вид: M. kandleri

Methanopyrus kandleri метаноген, выделен из черных курильщиков в Калифорнийском заливе с глубины 2000 м, температура роста 84 – 110 °C, использует Н₂/CO₂. может репродуктировать при Т=122 °C. [49]

Первый крайне теплолюбивый хемолитотрофный организм изолирован в районе горячего отверстия (21° с.ш. Восточно-Тихоокеанское поднятие, глубина 2610 м) анаэроб [50]. Оптимальная температура 86 °C, время удвоения 28 мин… Новые и анналогичные метаногенных изолятов были получены из горячего бассейна осадков Гаеймас независимо в двух лабораториях (В. Дж. Джонс, Технологический институт штата Джорджия, Атланта, и Х. Чжао, Университет Иллинойса, Урбана; рукопись в процессе подготовки).

2. Methanococcus vulcanius sp. nov.,

Автотрофный, гипертермофильный метаноген Methanococcus vulcanius sp. nov (M7T) был выделен из образцов глубоководной гидротермальной трубы, собранных на Восточно-Тихоокеанском поднятии на глубине 2600 м. Клетки кокковидные формы, имеет жгутики. Диапазон температур для роста при рН 6,5 составляет 49 – 89 °C, оптимальный рост при температуре 80 °C. Оптимум рН для роста составил 6,5, а также оптимальной концентрации NaCI роста составил около 25 г. Использует H₂ и CO₂ как единственные субстраты для роста и метана. Вольфрам, селен и экстракт дрожжей стимулирует рост значительно. В присутствии CO₂ и Н₂ организм восстанавливает элементарную серу до сероводорода [51].

СН4 + S -> H2S

Таблица. 22-1

Гипертермофильные метаногены.

3. Methanococcus jannaschii

Methanococcus jannaschii (Holger Jannasch). Представитель Археа был изолирован из пробы, взятой из трубы белого курильщика на глубине 2600 метров на Восточно-Тихоокеанском поднятии. Использует только H₂ и CO₂ в качестве источников энергии и углерода для роста в интервале температур от 50 до 86 градусов. Клетки имеют нерегулярный характер кокки, которые являются подвижными из-за двух пучков полярных жгутиков включить вблизи той же сотовой полюса, что делает его редким примером подвижного кокка. [52]

Рис. 22-1. Электронная фотография Methanococcus jannaschii [52]

5. Methanotorris formicicus sp. Nov

Methanocaldococcus jannaschii выделен из глубоководных гидротермальных диффузных потоков сульфидных месторождений. Оптимальная температура развития 82 °C.

Субстрат Н₂ и СО₂

Methanotorris formicicus sp. Nov. Новый экстремально термофильный метаноген, изолированный из черного курильщика в at the Kairei field in the Central Indian Ridge. Образует метан только из Н₂ и CO₂, оптимум 75 °C (55–83 °C), рН 6.7 (6.0–8.5). Формат может использовать как альтернативный источник энергии [53].

4. Methermicoccus shengliensis gen. nov

Methermicoccus shengliensis gen. nov., sp. nov., – термофильный метилотрофный метаноген, выделен из пластовых вод (oil-production water), использует метанол, метиламин и триметиламин. Оптимум роста: удвоение 5 часов, рН 6.0–6.5, 65 °C. Способен образовывать метан при росте на ацетате.[54]

6. Methanocaldococcus indicus sp. nov

Methanocaldococcus indicus sp. Nov. Новый гипертермофильный метаноген, изолированный из the Central Indian Ridge с глубины 2420 м, кокк, оптимум 85 °C (50–86 °C), рН 6.6. Использует Н2/CO₂, селен и дрожжевой экстракт стимулируют рост значительно, в присутствии Н2/CO₂ восстанавливает серу в сульфид. [55].

7. Methanomethylovorans thermophila sp. nov.

Methanomethylovorans thermophila sp. nov., термофильный метилотрофный метаноген. Использует метанол, моно-, ди, и триметиламин как единственные субстраты, но не растет на Н₂/CO₂, муравьиной и уксусной кислоте. Оптимум температурного роста – 50 °C (42–58 °C), рН от 5.0 до 7.5. [56].

8. Methanobacterium thermoautotrophicum

Оптимальная температура колеблется от 35 – 70 °C (умеренный термофильный оптимум роста температуры 65^oC). Оптимальная рН колеблется от 6,0 – 8,5. Строгие анаэробы. Клеточной оболочки состоит в основном из псевдомуреина. Хемоавтотрофы… Для роста требуется только CO₂, H2 и соли. Все используют аммоний, сульфид, и элементарную серу. Растут при низких концентрациях NaCl. Они не являются подвижные и жгутики отсутствуют. Метаболизм строго анаэробные и Н2 и / или формиат используются в качестве донора электронов. Все виды растут с H2 и CO₂ в качестве субстрата для метаногенез. Клетки мезофильные и термофильные. Все виды не могут расти в аэробных условиях и большинство из них кислото-толерантьй (могут расти при рН менее 5). Выделено 12 видов метаногенов этого рода метанобактерий, и они были выделены из aneraobic digestors, осадка сточных вод, навоза, подземные воды, и пластовой воды из нефтеносных пород.[57].

9. Methanolinea tarda gen. nov.,

Methanolinea tarda gen. nov., sp. nov., выделен из метантенка, оптимальная температура роста 50 °C (от 35 до 55 °C), рН 7.0 (6.7–8.0), субстрат Н₂ и Формат Int J Syst Evol Microbiol 58 (2008), 294–301 Hiroyuki Imachi 1,2, Sana Sakai 1, Yuji Sekiguchi 1,3, Satoshi Hanada 3, Yoichi Kamagata 1,3,4, Akiyoshi Ohashi 1 and Hideki Harada 1,5 [58].

10. M. “kuzneceovii” – синтрофная культура образует метан и растет на метаноле и ацетате, оптимальная температура роста 51–55 °C, кислототелерантен (рН от 4.0 до 8.5), выделен из термофильного метантенка, сбраживающего ацетоно-бутиловую мелассно-зерновую барду при добавлении солей кобальта и 5 % метанола.

Глава 23. Роль мембран в биосинтезе метана и получения энергии в виде АТФ

Впервые необходимую роль мембраноподобных структур в биосинтезе метана из метильной группы метил-В-12 была установлена в экспериментах с бесклеточными экстрактами синтрофной культуры Mbac. Kuzneceovii. [78] [79]

Рис. 23-1. Схематическое строение Клеточных мембран Архей.

Мембранные структуры. Верх: фосфолипид архея, 1 изопреновая внешняя цепь, 2 эфирная связь, 3 L-глицерин, 4 фосфатный фрагмент. В центре: фосфолипиды бактерий и эукариот: 5 жирные кислоты, 6 эфирная связь, 7 D-глицерин, 8 фосфатный фрагмент. Внизу: 9 липидный бислой бактерий и эукариот, 10 липидный монослой некоторых архей.

Мембраны архей состоят из молекул, которые сильно отличаются от мембран других форм жизни, что свидетельствует о значительной отдаленности архей от бактерий и эукариот. [80]. У всех архей мембранные ячейки состоят из молекул, известных как фосфолипиды. Эти молекулы обладают как полярными частями, которые растворяются в воде и неполярными частями, которые не растворяются в воде (липидный хвост). Эти разнородные части соединен глицерином в а группу. В воде, фосфолипиды кластера за счет полярного фосфата помещены головами в воду, а неполярные липидные хвосты стоят вдали от воды. Это заставляет их собираться в слои. Основные структуры клеточных мембран архей двойной слой фосфолипидов, которые называются липидным бислоем.

Фосфолипиды в мембранах архей имеют четыре необычных свойства:.

1. мембраны архей состоят из глицерина – простых эфиров липидов..[80] мембраны бактерий и эукариоты состоят, в основном, из глицерин – сложного эфира липидов… Простая эфирная связь является химически более резистентной, чем сложная эфирная связь, и может способствовать расширению возможностей некоторых архей для выживания при экстремальных температурах и в очень кислой или щелочной среде..[80].

2. липиды архей уникальны тем, что стереохимия глицериновой группы являются обратной стороной против того, что встречается в других организмах. Эти формы называют энантиомерами. Это означает, что архей могут использовать совершенно иные ферменты для синтеза их фосфолипидов, чем бактерии и эукариоты, так как такие ферменты развились очень рано в истории жизненной эволюции, это, в свою очередь позволяет предположить, что архей отделились очень рано от двух других доменов..[80].

3. липидные хвосты фосфолипидов архей химически отличаются от других организмов. Липиды архей основаны на изопреноидной внешней цепи и длинные цепи с несколькими побочными ветвями, а иногда даже циклопропанового или циклогексанового кольца.

.[80]. Это контрастирует с жирными кислотами, найденными в мембранах других организмов, которые имеют прямые цепи без каких-либо ответвлений или колец.

Хотя ИЗОПРЕНОИДЫ играют важную роль в биохимии многих организмов, только архей используют их для построения фосфолипидов.

Эти развеетвленные сети, могут помочь предотвратить архейских мембраны от становления неплотными при высоких температурах. [80].

4. в некоторых археях фосфолипидный бислой заменен одним монослоем. По сути дела, архей сплавил хвосты двух независимых молекул фосфолипидов в одну молекулу с двумя полярными головками, это слияние может сделать их мембраны более жесткими и лучше противостоять суровым условиям..[80]. Например, все липиды в Ferroplasma этого типа, которые помогают выживанию этого организма в чрезвычайно кислой среде, в которой он развивается. [80].

Биосинтез метана – самый сложный(?) древнейший биомеханизм анаэробного архейского дыхания.

Термофилы и экстремальные термофилы или «гипертермофилы» поступают из нескольких различных филогенетических линий архей. Эти организмы требуют очень высокой температуры (80 градусов до 105 градусов) для роста. Их мембраны и ферменты, необычайно устойчивы при высоких температурах.

Гипотеза. Метаногены господствовали и определяли существование и развитие остальных анаэробных и аэробных археев. (Метаногены занимали все известные ниши первобытной земли.). возможно совместно с сульфатредукторами. Сернистая нефть. Работы В.А. «метановое дыхание» более сложный энергетический процесс, чем восстановление серы. Так как акцептор электронов – метильная группа – должна образоваться многоэтапным восстановление диоксида углерода.

Какой механизм образования атф предшествовал биологическому образованию метана?

Возможно, что в эпоху первобытной восстановленной атмосферы и низкой влажности термофильные метаногены обладали более совершенным механизмом образования энергии в виде АТФ за счет анаэробного окисления водорода.

Большинство Архей требуют элементарной серы для роста. Некоторые, являясь анаэробами, используют серу в качестве аксептора электронов для дыхания вместо кислорода. Некоторые литотрофы окисляют серу как источник энергии. Сероокислители растут при низких значениях рН, меньше, чем рН 2, т. к. они окисляют серу до серной кислоты.[81]

Глава 24. Метаногены и влажность [82]

Гипотетические предположения некоторых исследователей, что на первобытной Земле было мало воды (температура 100 и более градусов С) [49], позволяют высказать предположение, что Археа могли развивать в условиях низкой влажности. Такое предположение подтверждается экспериментельными данными, полученными И. Юферевым и Е. Панцхава при изучении метаногенеза органических отходов каракулевого овцеводства пустынного содержания [2]. Было установлено, что мезофильный и термофильный метаногенные консорциумы могут развиваться и синтезировать метан при влажности от 10 % и выше, причем в пределах от 10 и до 50 % влажности выход метана прямо пропорционален повышению содержания воды. (Рис 23–35).

Таблица. 25-1

Влияние влажности субстрата на образование биогаза и метана [82]

Рис. 25-1. Влияние влажности субстрата на образование биогаза и метана [82]

Глава 25. Метаногены и рН-среды

A. Длительное время полагали, что метаногены могут развиваться только при нейтральных значениях рН среды. Впервые возможность образования метана при рН = 4 была описана для синтрофной культуры «Mac. Kuzneceovii» в 1969. Исследования К. Вейзе по ^РНК, приведшие к выделению нового домена Архебактерий позволили предположить, что и среди метаногенов могут быть организмы, способные развиваться при кислых значениях рН. Синтрофная культура “Mbac. Kuzneceovii” была первой ласточкой… [44].

B. Пять чистых культур метаногенных бактерий были выделены из торфяников Миннесоты методами обогащеных культур. Один из таких штаммов, определены в качестве члена семьи Methanobacteriaceae по антигенной дактилоскопии, был теленартным к кислым условиям и был способен продуцировать метан при рН 3,1[83]. Но не мог расти при рН ниже 5.3. R.T. WILLIAMS and R.L. CRAWFORD отмечают, что «Мы знаем только одно сообщение о росте methanogen при низких значениях рН. Это синтрофная культура Mbac. kuzneceovii [44], растущая при рН 4.0 в 1969 г. [83]

C. [84] Ацидофильная обогащенная метаногенная культура была получена в непрерывном потоке в анаэробном реакторе, растущая при рН 4,2 на метаноле в качестве единственного источника углерода. Специфическая метилотрофная метаногенная активность обогащенного осадка при рН 5 была 3,57 г ХПК г-1 летучих взвешенных веществ в день и истинное время удвоения биомассы 15,8 ч. Кислотные условия являются обязательными, так как обогащение культуры не способны производить метан расти при рН 7. На основании морфологических характеристик, доминирующих видов метаногенных в обогащении культуры Methanosarcina.

Новый кислотно-телерантный водородотрофный метаноген, изолят ATMT, был получен из накопительной культуры и выполнялся при рН 5 <0, используя раствор из кислотопродуцирующего реактора, работающего на спиртовых отходах винокуренного завода. [85] Оригинальные рН раствора было 5 <7 и концентрации летучих жирных кислот было 9000 ppm Клетки изолята ATMT грамположительные, неподвижные и 0<3–0<5 lm в размерах. Они не образуют спор. Изолят может расти в диапазоне рН 5 <0–7 <5, с максимальным ростом при рН 6 <0. Оптимальная температура для роста 35 °C. Формиат, ацетат, метанол, триметиламин 2-пропанола и 2-бутанол не используются в качестве ростовых субстратов. Жидкость из рубца и ацетат необходимы для роста на H2/CO₂. Кофермент М и 2-метилбутиловая кислота не требуется при наличии рубца жидкости. Анализ 16S рДНК последовательности подтвердил подтвердил принадлежность к роду Methanobrevibacter. Морфологические и биохимические характеристики изолята, а также анализа 16S рРНК последовательности, ясно показали, что изолят не может быть размещен в любой из существующих видов рода Methanobrevibacter. Таким образом, предлагается, что это новый вид рода Methanobrevibacter – Methanobrevibacter acididurans sр. nov.

Торфяные болота являются важными источниками выбросов CH4 в атмосферу и молекулярные исследования определили разнообразный, но в основном в накопительной культуре, эуархеал сообщества в них. [86] Характеристика вида, E1-9c^t, связанного с накопительной группой E1, из минеротрофных фен сообщается. Клетки – регулярные кокки, обычно находятся в парах, грам-положительные, устойчивы к лизису в 0,1 % SDS. Несколько жгутиков наблюдались, но подвижности не наблюдается во влажных условиях. Оптимальный рост был получен при умеренных температурах (28–30 °C) и слегка кислом рН (5,5). Всего Na + и NaCl лишь переносится в концентрации менее 100 мм и 0,5 % соответственно, а Na₂S концентрациях выше 0,1 мм тормозят рост. H2/CO₂ и формиат были единственными субстратами для метаногенеза, используемыми штаммом E1-9c^t; формиат концентрациях выше 50 мм тормозит рост. Витамины, М кофермента и ацетат (4 мм) были необходимы для роста и удвоения время около 19 ч. Филогенетический анализ генов 16S рРНК и вывод McrA аминокислотных последовательностей показал, что E1-9c^t представляет независимую линию в порядке Metha-nomicrobiales. Физиологические и филогенетические сравнений с различными членами порядка поддерживают классифицировать E1-9ct в новый род в Methanomicrobiales. Название Methanosphaerula palustris gen. nov., sp. nov штамм E1-9ct является тип штамма Methanosphaerula palustris.

Кислотные торфяники являются одними из крупнейших природных источников атмосферного метана и гаванью большого разнообразия метаногенных Archaea1. Истинные метаногены, способных расти при кислых значениях рН, имели устойчивые культуры и изоляты 2, 3, 4. Эти непокорные метаногены, включая члены накопительных семейств– на уровне семейства Methanomicrobiales, распространены во многих кислых торфяниках Северной Hemisphere 1, 5, 6. Удалось получить смешанную культуру, имеющую оптимум рН метаногенеза на меньше, чем все ранее описанные метаногены. [87]

Таблица. 25-2

Ацидофильные метаногены

Глава 26. Метаногены и минерализация

Жилиной Т.Н. и Заварзиным Г.А. была открыта и описана новая группа облигатно– метило-трофных строго галофильных метаногенов, представленная двумя родами Methanohalophilus и Methanohalobium. В гиперсоленых водоемах они осуществляет неконкурентный путь метаногенеза и строго связаны с использованием метиламинов как субстрата метаногенеза. Эти бактерии составляют самостоятельный кластер на филогенетическом древе архебактерий.[88,89].

А. [90] Мезофильный, метилотрофный метаноген, штамм MobMT, был изолирован из месторождения природного газа в Японии. Штамм MobMT рос на метаноле и метиламинах, но не на H2/CO₂, формиате, ацетате или диметил сульфиде. Штамм MobMT рос при 9-37 °C (оптимально при температуре 30 °C) и при рН 6.1–7.8 (оптимально при рН 6,5). Натрий и магний, необходимы для роста, на 0.1–1.0 М Na + (оптимально при 0,35 М) и 10-400 мМ Mg 2 + (оптимально на 15–25 мм). На основании фенотипических и филогенетические особенности MobMT– этот штамм представляет собой новый вид рода Methanolobus, для которых имя Methanolobus profundi Sp. Nov

Глава 27. Роль порфиринов, никеля и кобальта в биосинтезе метана

Никель для жизнедеятельности метаногенов и восстановления метальной группы в метан играет значительно большую роль, чем кобальт, хотя и тот и другой входят в ядра порфириновых структур: Фактор 430 (никель), кобаламины (кобальт).

……, ванадий, никель и другие металлы присутствуют в растениях и животных в меньших (иногда в гораздо меньших) количествах, чем в нефти и углях (ванадия: 0,006 % или 60 г/т в золе растений и 0,0001-0,00001 % или 0,1–1 г/т в животных; никеля: 0,00005 % или 0,5 г/т в сырых растениях и 0,0001-0,000001 % или 0,01-1 г/т в животных).[91].

1.6 мкг Никеля (2+) на мг сухой цитоплазмы (ЦМ) M. hungatii. Конечный выход ЦМ 8 % от сухого веса клеток. В 1 т сухих клеток 128 мг Никеля. 258 или 0.013 %. В метаногене Никеля в 260 раз больше чем в сырых растениях (в 52 раза больше, чем в сухих). [92]

НИКЕЛЬ И МЕТАНОГЕНЫ.

Никель обнаружен в монооксид углерод дегидрогеназе, в коферменте F430, в гидрогеназе.

Определена структура, функция и биосинтез никель-порфиринового кофермента F430, который является простетической группой метил-кофермент М-редуктазы. [93].

Некоторые метаногенные архей содержат два изофермента метил-кофермент М-Редуктазы. Показано, что формилметанфуран дегидрогеназа может быть либо молибден (FMD) или вольфрам (FWD) содержащим ферментом и что метилтрансферазы (ССО) являются корриноид (кобальт тетрапирролл) содержащим мембранным белоком.

Выяснена кристаллическая структура 12 ферментов, участвующих в Ci-метаболизме метаногенных архей и метанотрофных бактерий. Установлены структуры трех важнейших ферментов: метил-кофермент М-редуктазы, метанол: коэнзим метилтрансферазы M и [Fe] гидрогеназы– (HMD) апоэнзима и холофермента. [93].

В последние 40 лет, начиная с конца 70-х годов, ХХ столетия были проведены интенсивные исследования в Европе и США по биохимии, физиологии и экологии анаэробных бактерий и архей, их ферментов, коферментов, участвующих в энергетическом обмене метаногенных и метанотрофных архей, Clostridia, сульфатредуцирующих бактерий и архей, и аэробных метанотрофных бактерий. [93]. Наиболее важные результаты следующие:

Кофермент Ф430 в активной, восстановленной форме Ni(I)

Рис. 27-1. Структура Кофермента Ф430 и его роль в биосинтезе метана [93].

Установлено:

1) никель в качестве переходного металла необходим для роста метаногенных архей и ацетогенных бактерий [93].

2) никель является структурным ядром дегидрогеназы монооксида углерода [93]., кофермента F430 [93]. гидрогеназы [93].

Коэнзим F430 и метил-кофермент М-редуктазы.

Установлены структуры, функции и биосинтез никель-порфирин F430 кофермента, который является простетической группой метил-кофермент М-редуктазы[93]. Доказано, что только метил-кофермент М-редуктаза может катализировать восстановление метил-кофермент М в метан [93]. Первая демонстрация того, что гетеродисульфид коэнзима M и кофермент B является – помимо метана – продуктами восстановления метил-кофермента М с коэнзимом B [93].

Показано, что некоторые метаногенные архей содержат два изофермента метил-кофермент М-редуктазы [93]. Доказано, что никель в коферменте F430 должен быть в восстановленной форме Ni (I) для окисления метил-кофермент М-редуктазы, чтобы быть активным [93]. Выяснена кристаллическая структура метил-кофермент М-редуктазы до 1,16 Ангстрема разрешения. Определено 5 посттрансляционных модификаций [93]. Изучен каталитический механизм метил-кофермент М-редуктазы по ЭПР-спектроскопии [93]. Доказано "Half-of-the-sites reactivity" для метил-кофермент М-редуктазы и предложен двух этапный механизм катализа[93].

Открыто, что археи, анаэробно окисляющие метана в CO₂, содержат высокие концентрации метил-кофермент М [93].

Дегидрогеназы монооксид углерода. Открыто, что дегидрогеназы монооксида углерода синтезируютс в Clostridium paste-urianum и зависят от никеля [93].

Метаногенные ферменты. Выделены и охарактеризованы СЕМЬ НОВЫХ ФЕРМЕНТОВ метаногенных архей: формил-метанофуран дегидрогеназы (Fmd или Fwd); метилтетрагидрометаноптерин: коэнзим M метилтрансфераза (Mtr); гетеродисульфид редуктаза (Hdr); F420H2 оксидаза (FprA); формальдегид активирующий фермент (Fae); преобразующая энергию [NiFe]-гидрогеназа (Tch) и никель-свободная гидрогеназа (Hmd) ([Fe]-гидрогеназа) [93].

Открыто, что формилметанофуран дегидрогеназа молибден (FMD) или вольфрам (FWD) зависимый фермент и что метилтран-сфераза (ССО) является корриноид (кобальт тетрапиррол) содержащим мембранным белоком) [93].

Выяснены кристаллические структуры 12 ферментов, участвующих в d-метаболизме метаногенных архей и метанотрофных бактерий [93]. Три наиболее важные структуры были установлены: метил-кофермент М-редуктаза, метанол: коэнзим метилтрансфераза M и [Fe] гидрогеназы– (Hmd) апоэнзим и холофермент.

Установлена стероспецифическая Si-face стериоспецифичность относительно C5 F420 из пяти F420-зависимых ферментов [93].

Установлено, что CO₂ скорее, чем НСО3– субстрат или продуктом формилметанофуран дегидрогеназы [93]. дегидрогеназы окиси углерода [93]. формиатдегидрогеназы и пирувата: ферредоксин оксидоредуктазы [93].

Установлено, что сульфатредуцирующие бактерии могут расти на Н2 и сульфате в качестве единственного источника энергии [93]. Установлен обратный перенос электрона в сульфатвосстанавливающих бактериях, растущих на ацетате и сере [93]. и в сульфатвосстанавливающих бактериях, растущих на лактате в отсутствие сульфата [93]. Установлено, что рост метаногенных архей зависит от ионов натрия [93]. и, что энергосберегающий метилтетрагидрометаноптерин: коэнзим метилтрансфераза M комплекс есть ионно натриевый насос [93].

Установлено, что конверсия СО в CO₂ и Н2 у Methanosarcina сопряжена с построением протон движущих сил [93].

Установлено, что цитоплазматические бутирил-КоА дегидрогеназа / Электронн переносящий флавопротеидный комплекс в клостридиях сопряжен с эндооргоническим восстановлением ферредоксина с NADH при экзооргоническом восстановлении кротонил-КоА с NADH через новый механизм, называемый как флавиноснованной электронной бифуркации-ПОСМОТРЕТЬ [93].

Предложено, что метаногенные археи без цитохромов есть первый и конечный этапы в восстановлении CO₂ в метан молекулярным водородом, связанные через флавиноснованную электронную бифуркацию, в то время как в метаногенных археях, имеющих цитохромы эти два этапа связаны хемоосмотически [93].

Метаболические пути.

Установлены новые пути автотрофной фиксации CO₂ в метаногенных археях [93].

Продемонстрировано, что ацетил-КоА, метилтетрагидрометаноптерин и восстановленный ферредоксин есть промежуточные полупродукты при метаногенезе из ацетата [93].

Открыто, что карбоангидразы участвует в анаэробном метаболизме ацетата [93].

Открыто, что ферменты и коферменты, считавшиеся уникальными для метаногенных архей, также присутствуют в аэробных метанотрофных бактериях [93].

Открыто, что тетрогидрофолат-специфический фермент у в Methanosarcina [93]. Продемонстрирован новый путь биосинтеза гема в археях [93].

Важное Экологическое открытие: ростовой выход биомассы метаногенных архей на H2 и CO₂ увеличивается при уменьшении концентрации H2 [93].

Установлено, что сульфатвосстанавливающие бактерий могут конкурировать с метаногенными археями из-за снижения очевидного Km для Н₂ и ацетата [94].

Большинство метаногенных архей восстанавливают CO₂ в СН4 молекулярным водородом. Для активации Н₂, они используют разные [NiFe]-гидрогеназы, а именно энергоконвертируемые www. гидрогеназы, гетеросульфид– редуктазы, связанные с [NiFe]-гидрогеназами или метанофеназин восстанавливающими [NiFe]-гидрогеназами, и F420-восстанавливающими [NiFe]-гидрогеназами. Энергопреобразующие [NiFe]-гидрогеназы являются филогенетически связаными с комплексом I из дыхательной цепи. В условиях ограничения никеля, некоторые метаногены синтезируют никель-независимые [Fe] – гидрогеназы (вместо F420 восстанавливающих [NiFe]-гидрогеназ) и тем самым сокращают свои потребности в никеле.

Образование метана из 4H₂ и CO₂, катализируемое метаногенными археями, в настоящее время обсуждается в качестве эффективного средства для консервации H₂. [95].

Глава 28. Липиды архебактерий. изопрены метаногенов

Исходя из физиолого-биохимических особенностей архебактерий, можно предположить что в эпоху раннего архея (4000 – 3400 м.л. н) – эпоху активного развития мира анаэробных археебактерий, особенно предшественников современных термотелерантных видов, в процессе анаэробной деструкции биомассы первичных архебактерий, вызванной их массовой гибелью по причине глобальной катастрофы, могли образоваться предшественники первичной нефти до появления фотосинтеза и хлорофилла. (Работы А.А. Красновского, В. Никандрова и Е.С. Панцхава – фотообразование у метаногенов). Так как в эпоху среднего архея (3400 – 3000 м.л.н.), в отложениях уже обнаружены остатки сине-зеленых водорослей [96, 97]

Липиды мембран из АгеЬаеЬае1ег1а1 haloalkaliphile почти полностью состоят из диэфиров, содержащих изопраниловые цепи C₂₅; Универсальные C20 архебактериальные диэфиры основного липида (2,3-ди-О-фитанил-Sn-глицерол) составляет лишь 9 % (по весу) от общей фракции изопреноилного диэфира. Остальная изопреноидная диэфирная фракция составила 85 % (по весу) C20, C25 диэфиров (2-O-сестертерпанил-3-O-фитанил-Sn-глицерол) и 6 % (по весу) новых C25, C 25 диэфиров (2,3-ди-О-сместертерпанил-Sn-глицерина).

Одним из основных отличительных особенностей архебактерий являются клеточные мембраны, в которых встречаются липиды изопранил свзанных эфиров. Все липиды архебактерий обладают мембранами на основе C₂₀, C₂₀ дифитанил диэфироксид глицерина основных липидов [98].

Некоторые метаногенные архебактерии имеют бислойные мембраны, почти полностью состоящие из этого универсального липидного ядра, в то время как другие обладают смешанным бислоем, содержащие различные пропорции как C₂₀ липидов и \u0026quot;голова к голове\u0026quot; связаны C₄₀ бидифитанил производными [98].

Термоацидофильные архебактерии имеют мембраны, содержащие, главным образом, частично циклизованные C₄₀ основные липиды [98]. Большинство галофильных архебактерий обладают только C₂₀ основными липидами [98], но фенотипически различные архебактериальные галоалкафилы имеют дополнительные липидные ядра в значительных количествах; данные липиды имеют асимметричный диэфироксид с одной C₂₀ фитанил цепью и одной C25 сестертерпенил цепью [98]. Последствия этих необычных липидных мембранных структур позволили предложить, что галоалкалифилы могут иметь «Zip» мембраны, которые могут быть толще, чем другие типы архебактериальных мембран. [98].

Некоторые нингидрин-инфицированные липиды были найдены в метаногенных бактериях и структура одного из них, названная, как PNL2 в Methanobnvibacter arboriphilur, была определена в качестве аналогового эфира ДИФИТАНИЛ ФОСФА-ТИДИЛ-СЕРИНА..

Это первое сообщение о структурных характеристик аминосодержащих фосфолипидах в архебактериях. Аминолипиды были найдены во многих других метаногенных бактериях.

Это одна из наиболее типичных характеристик, которыми архебактерий отличаются от эубактерий [99].

Бактерии, образующие метан из Н₂ плюс CO₂ или из ацетата, содержат глицерин дифитанил диэфиры и дибифитанил диглицерол тетраэфиры. Полярные группы липидов были изучены лишь на одном штамме Methanospirillum hungatei [99]. Это фосфогликолипиды, которые не содержат аминогруппы.

Аминолипиды повсеместный компонент биологических мембран и в других организмах, и знание их роли в мембранах будет иметь важное значение. Были найдены нингидрин-инфицированные фосфолипиды у некоторых видов метаногенных архебактерий. [100]

Глава 29. Архебактерий, восстанавливающие сульфаты и образующие метан

В 1987 г. описана строго анаэробная архебактерия, выделенная в род Archaeoglobus, способная восстанавливать сульфат до H₂S в процессе диссимиляционной сульфатредукции. Экстремальный термофил, верхняя граница роста 92 °C. Донорами электронов могут служить H₂, формиат, лактат, глюкоза, дрожжевой экстракт. Кроме сульфата в качестве конечного акцептора электронов могут использовать сульфит и тиосульфат, но не молекулярную серу.

Особенность Archaeoglobus, привлекшая внимание исследователей, – способность в небольшом количестве образовывать метан Подобно типичным метанобразующим бактериям в клетках Archaeoglobus содержатся фактор F₄₂₀ и метаноптерин, но не обнаружены кофермент М и фактор F₄₃₀.

Результаты определения нуклеотидной последовательности 16S рРНК позволяют рассматривать ARCHAEOGLOBUS КАК ФОРМУ, ЗАНИМАЮЩУЮ ПРОМЕЖУТОЧНОЕ ПОЛОЖЕНИЕ МЕЖДУ МЕТАНОГЕНАМИ И ЭКСТРЕМАЛЬНЫМИ ТЕРМОФИЛАМИ, метаболизм которых связан с восстановлением или окислением молекулярной серы.

Глава 30. Анаэробное окисление метана археями

Анаэробное окисление метана – загадочный процесс, впервые обнаруженный в 1974 году. [101] Большинство исследований фокусируется в основном на процессах окисления метана в морских отложениях. С сильным акцентом на геохимии и Geobiology. Возможно сочетание процесса анаэробного окисления метана (АОМ) с процессом восстановления сульфата (SR), что может иметь промышленное применение в решении вопросов, касающихся циклов АОМ и SR в пелагических донных средах. Были обнаружены организмы, способные развиваться в пресноводных условиях. Было опубликовано первое свидетельство анаэробного окисления метана связанного с восстановлением нитратов, что является перспективным событием, которое стимулирует исследования АОМ, сопряженного с восстановления сульфатов.

Рис. 30-1. Схема анаэробного окисления метана [101].

На рисунке ниже приведен пример консорциумов сульфат-восстанавливающих бактерии и архей, окисляющих метан. Эти фотографии сделаны с помощью техники, называемой «Флуоресцентные в гибридизация» (FISH). Организмов в красной представляют анаэробные археи метанотрофными (ANME) и зеленые организмы сульфат бактерий (SRB).

Рис. 30-2. ANME2/DSS консорциум из Черного моря [101].

Возможная роль нитритов в анаэробном биоокислении метана.

НЕДАВНО БЫЛИ ВЫДЕЛЕНЫ АНАЭРОБНЫЕ МЕТАНО-ТРОФНЫЕ АРХЕИ ИЗ бескислородных морских отложений, но до сих пор не оправилась в чистой культуре. (Предположение автора: могут быть бактерии, синтезирующие метанол из водорода и СО₂.). На проточных культурах были созданы бактериальные системы, содержащие метаноторофные археи и сульфатредукторы, окисляющие метан в анаэробных условиях.[102].

Анаэробное окисление метана – процесс окисления метана до углекислого газа, производимый некультивируемыми археями групп ANME-1, ANME-2 и ANME-3, близкими к Methanosarcinales, в ассоциации с сульфатредуцирующими и денитрифицирующими бактериями при отсутствии в среде молекулярного кислорода. Биохимия и распространённость процесса в природе изучены пока недостаточно.

Уже в первых работах, посвящённых процессу, было показано, что абиотически окисляется лишь 0,7–1,1 % всего окисляемого объёма метана. Также установлено, что ингибиторы метаногенеза 2-бромэтансульфоновая кислота и флуорацетат, а также ингибитор сульфатредукции молибдат угнетают и анаэробное окисление метана. При этом последний более чувствителен к 2-бромэтансульфоновой кислоте, чем сам метаногенез, из-за чего при небольших концентрациях кислоты она даже оказывает кажущийся стимулирующий эффект на образование метана (на самом деле прекращая его окисление).

Из этого было сделано заключение о протекании анаэробного окисления метана в два этапа, осуществляемых разными организмами.

ПЕРВЫЙ – ОКИСЛЕНИЕ МЕТАНА ВОДОЙ, ОСУЩЕСТВЛЯЕМОЕ ФЕРМЕНТАМИ МЕТАНОГЕНЕЗА, КАТАЛИЗИРУЮЩИМИ ОБРАТНЫЕ РЕАКЦИИ. Второй – дальнейшее окисление продуктов первого этапа, с использованием сульфидов в качестве акцептора электрона. [103]

Ингибитором анаэробного окисления метана также является кислород: в образцах донных осадков, где отсутствуют аэробные метанотрофы, при проветривании прекращается всякое окисление метана. Лишь с исчерпанием кислорода в среде оно начинает восстанавливаться.

Благодаря тому что в холодных сипах метан обеднён 13C, вещества, синтезированные из него, также обеднены этим изотопом. Были изучены бедные 13C липиды и нуклеиновые кислоты, выделенные из донных отложений, и проведены исследования в области геносистематики потребляющих метан в анаэробных условиях организмов. Было показано, что среди них действительно есть родственные метаногенам порядка Methanosarcinales археи, отнесённые к группам ANME-1 и ANME-2, и эубактерии-сульфатредукторы[103]. Впоследствии с использованием метода FISH удалось увидеть клетки этих организмов[103] Они образовывали компактные конгломераты, состоящие в среднем из 100 архей и 200 эубактерий и имеющие диаметр около 3 мкм.

Показана возможность протекания анаэробного окисления метана с участием соединений азота[103]. Процесс в этом случае осуществляла консорция клеток ANME-2 и денитрификаторов, причём последние предпочитали нитрит нитратам. При удалении нитрита через 10–20 часов окисление метана возобновлялся уже с участием нитратов. Прямые наблюдения с помощью техники FISH показали, что соотношение в консорции бактерий и архей составило 8:1. Авторы считают, что это свидетельствует о более высоком энергетическом выходе по сравнению с сульфатами.

Для Fe3⁺ в нескольких работах утверждается неучастие в анаэробном окислении метана[103], хотя в других показан его стимулирующий эффект на поглощение метана в анаэробных условиях[103].

Существует гипотеза наличия одного организма, проводящего процесс от начала до конца по совершенно особому механизму. В её пользу говорят данные, что в некоторых субстратах ни один из ингибиторов метаногенов и сульфатредукторов не подавляет анаэробного окисления метана [103].

Было обнаружено окисление метана чистыми культурами при анаэробном росте. Метаногены, строгие анаэробы, в особенности такие как Methanobacterium thermoautotrophicum, Methano-sarcina barkeri, Methanosarcina acetivorans и Methanospirillum hungatii, способны при росте на обычных средах для культивирования метаногенов, окислять введённый в газовую фазу меченый CH₄ до CO₂, иногда до метанола и ацетата (M. barkeri) в небольших количествах (до 0,3 % от объёма образованного ими за то же время метана) [103].

Абсолютное большинство исследований по данной тематике выполнено для донных морских и океанических осадков, однако показано, что процесс протекает и в почве[103], рубце желудка жвачных[103], пресноводных водоёмах[103][104].

Предполагается, что Анаэробное окисление метана (АОМ) отвечает за окисление почти от 70,3 до 85,3 Tg (от 1.57 млн. куб. м до 1.9 млн. куб. м) метана в бескислородных морских отложениях ежегодно в мире [105].

Таблица 30-1 Оценка свободной энергии в реакциях окисления метана различными акцепторами электронов.[106]

AG,° (kJ mol ' CH₄)

Reaction CT4(g) CH4(aq)

CH₄ + SO₄²– HCO3– + HS" + H₂О -16.6 -33.0

CH4 + SO₄²" + 2H+ – СО₂ + H₂S + 2H₂О -92.8 -109.2

CH₄ + 20₂ – HСО₃~ + H₂О + Н+ ' -806. -822.4

CH₄ + 20₂ – СО₂ + 2H₂О -842.3 -858.7

CH4 + 4N0₃– HCO₃– + 4NO₂ + H + H₂О -467.0 -483.4

CH₄ + 4NO₃ – СО₂ + 4N0₂– + 2H₂О -503.4 -519.8

5CH₄ + 8MnO4 + 19H+5HСО₃ + 8Mn²+ + 17H₂О -991.7 – 1008.1

5CH₄ + 8MnO4 + 24H+ —5СО₂ + 8Mn²+ + 22H₂О -1028.1 -1044.5

CH₄ + 8Fe³ + 3H₂О – HCO3-+ 8Fe² + 9H+ -418.3 -434.7

CH₄ + 8Fe³ + 2H₂О – СО₂ + 8Fe² + 8H + -454.6 -471.0

CH₄ + CI0₄– HCO₃ + CI– + H+ + H₂О -895.9 -912.3

CH₄ + CIO4– СО₂ + CI– + 2H₂0 -932.2 -948.6

CH₄ + 4HAsО₄²– + 3H+ – HCO3 + 4H₂AsО₃– + H₂О -299.6 -316.0

CH₄ + 4HAs0₄²– + 4H+ – СО₂ + 4H₂AsО₃– + 2H₂О -263.3 -279.7

В начале 80-х годов была выделена группа аблигатно термофильных бактерий, способных к росту при 90 °C с оптимальным ростом при 80 °C и выше. Они были выделены в основном из богатых серой морских геотермальных сред на разных глубинах моря. Они включают в себя более десятка различных родов, и, за исключением одного нового eubacterium, все могут быть классифицированы как архебактерий. Большинство крайне теплолюбивых родов обладают метаболизмом элементарной серы (S °) и большинство из них используют окисление водорода как источник энергии. Кроме того, два гипрертермофильных рода активно производят H2 в качестве конечного продукта нового ферментативного обмена веществ. Предполагается, что фермент гидрогеназа, который отвечает за стимулирование H2 и H2 активацию производства, по-видимому, играет несколько ролей в переносе электронов для получения энергии в процессе роста этих организмов. [107]

Так же хорошо, как и при высоких температурах, некоторые архебактерии чувствуют себя в насыщенных солевых растворах, сильных кислотах или щелочах. Например, солелюбивые галобактерии обитают в соленых водах морей и даже на вяленой рыбе. Некоторые прекрасно себя чувствуют в кипящих растворах серной кислоты с рН=1, другие – терпимы к щелочам, губительным для всех прочих организмов.

Молекулы ферментов архебактерий, не отличаются от ферментов обычных бактерий по своему составу, однако характеризуются удивительной компактностью. Эту особенность термостабильных ферментов рассматривают как первичную. Разрыхление структур ферментов при понижении температуры, по-видимому, является приспособлением к более холодной окружающей среде.

Высокие содержания ванадия и никеля в нефти, асфальтитах, углях и других осадочных породах связываются большинством исследователей с их поступлением в осадки из разлагавшихся органических остатков. Кроме того, ванадий, никель и другие металлы присутствуют в растениях и животных в меньших (иногда в гораздо меньших) количествах (но в метаногенах их концентрация гораздо выше. См. выше), чем в нефти и углях (ванадия: 0,006 % или 60 г/т в золе растений и 0,0001-0,00001 % или 0,1–1 г/т в животных; никеля: 0,00005 % или 0,5 г/т в сырых растениях и 0,0001-0,000001 % или 0,01-1 г/т в животных). 1.6 мкг Никеля (2+) на мг сухой цитоплазмы (ЦМ) M. hungatii. Конечный выход ЦМ 8 % от сухого веса клеток. В 1 т сухих клеток 128 г Никеля или 0.013 %. Они довольно подвижны и скорее должны вымываться водой из мест захоронений органики, чем накапливаться в ней. Примерно также обстоят дела и с ураном, который равномерно рассеян в осадочных породах и крайне редко образует повышенные концентрации, за исключением случаев формирования месторождений, связанных с адсорбирующей его органикой. Но в том то все и дело, что и уран, как ванадий, никель и другие металлы, включая обнаруженный Л. Альваресом в пограничных мел-отложениях, иридий, образуют повышенные концентрации по всей Земле, а их высокие содержания характерны в основном для пограничным отложений, образовавшимся во время катастроф. И с этим спорить сложно, поступление всех этих элементов на земную поверхность было каким-то образом связано с катастрофами. [108, 109]

Идея "извлечения метана из Метаногидратов с использованием анаэробных архебактерии, которые могут не только помочь в извлечении метана из газовых гидратов, но и могут конвертировать воду и диоксид углерода в настоящее время в метаногидрат. Описанный выше процесс является экзотермическим с высвобождением тепловой энергии, которая может повысить температуру воды выше точки кипения и вызывать выделением метана из газогидратов. [110]

Народы мира используют природный газ (метан, CH4), один из ископаемых видов топлива, чтобы обеспечить 25 % от повседневной энергии. В настоящее время это составляет около 2,4 триллионов кубических метров (85 триллионов кубических футов) природного газа в год. К сожалению, запасов природного газа в мире, хватит только еще на 60 лет при таких темпах потребления. Это означает, что наши внуки могут увидеть конец природного газа.

В последние годы тема естественных газовых гидратов привлекла интерес во всем мире основным из-за того, что они могут играть доминирующую роль в качестве возможных источников энергии в будущем. Газовые гидраты является одним из таких нетрадиционных источников энергии, который достоин того, чтобы изучить возможности для разведки и для удовлетворени растущего спроса на углеводородное сырье для обеспечения энергетической безопасности в мире и, чтобы обеспечить 100 % наших нынешних потребностей в энергии и в будущем. [110] Другое уникальное свойство архебактерий касается состава их мембранных липидов. У них не найдены обычные для эубактерий эфиры глицерина и жирных кислот но присутствуют эфиры, образованные путем конденсации глицерина с терпеноидными спиртами: диэфир состоит из глицерина, связанного простыми эфирными связями с двумя молекулами С₂₀-спирта фитанола; тетраэфир образован двумя остатками глицерина, соединенными двумя одинаковыми парами C^-бифитанильных цепей.

Особенно распространены у архебактерий C₃₀-изопреноиды. Больше всего углеводородов содержится у метанобразующих бактерий, меньше – у галофилов и термоацидофилов.

Многими исследователями высказывалась мысль, что именно архебактерии были основной формой жизни на Земле в первый её период. Можно предположить, что питательная среда для архебактерий на Земле могла сформироваться на самых ранних этапах биологической эволюции.

Сейчас, по мнению ряда специалистов, продолжение исследований археобактерий требует пристального изучения других таксономически значимых признаков, например, ферментативных реакций новых видов. [111].

Древнеархейская / Катархейская эра (4,5 – 4 * 10⁹ лет назад)

До архея был катархей (4500 – 4000 м.л.н. – раньше датировали 4,0–3,5 * 10⁹ лет – сейчас это ранний Архей). Геологическая эра Земли от ее образования до зарождения жизни называется катархей [условно, т. к. точно неизвестно когда зародилась жизнь]. Катархей (от греч. «ниже древнейшего») – эра, когда была безжизненная Земля, окутанная ядовитой для живых существ атмосферой, лишенной кислорода; гремели вулканические извержения, сверкали молнии, жёсткое ультрафиолетовое излучение пронизывало атмосферу и верхние слои воды. Под влиянием этих явлений из окутавшей Землю смеси паров сероводорода, аммиака, угарного газа начинают синтезироваться первые органические соединения, возникают свойства, характерные для жизни.

В архейскую эру протекали различные химические реакции между солями, щелочами и кислотами. Атмосфера Земли тогда была бескислородной и носила восстановительный характер.

Древнейшие остатки организмов были найдены в осадочных толщах Родезии, имеющих возраст 2,9–3,2 * 10⁹ лет [средний архей]. Горные породы архея содержат много графита, считается, что графит образовался из остатков живых организмов. Обнаружены строматолиты – конусообразные известковые образования биогенного происхождения. Бактериальное происхождение имеют запасы серы, железа, меди, никеля, кобальта. (Астрогалактика Просмотр темы – Астробиология как наука www.astrogalaxy.ru)

Ранний архей (4 – 3,4 * 10⁹ лет назад)

Глава 31. Атмосфера

Следовательно, жизнь могла зародиться в атмосфере, принципиально отличной от современной.

Первичная атмосфера Земли состояла в значительной мере из водорода Н₂, входившего ранее в состав протопланетной туманности и выделявшегося при дегазации земных недр. Атмосфера была гораздо плотнее современной и мощный парниковый эффект усиливал разогрев поверхности планеты. *** «Архейская экологическая катастрофа» ["Глобальное окисление"] (4 – 3,8 * 10⁹ л.н.) [112].

Глава 32. Выживаемость метаногенов

Метаногены – очень строгие анаэробы и в присутствии кислорода быстро погибают, но в составе биоценозов их выживаемость очень высока.

Например:

1. В 80-е годы Институт микробиологии им. Кирхенштейна АН Латв. ССР провел исследования по влиянию высушивания на восстановление метаногенной активности метаногенным биоценозом. Было показано, что высушивание на воздухе не влияло на восстановление метаногенной активности.

2. В 1962 году Институт биохимии им. А.Н. Баха АН СССР помогал литовским коллегам в создании производства кормового препарата витамина В-12 при термофильном метановом брожении спиртовой мелассной барде на спиртовом заводе в г. Панивежесе. В конце 60-х годов этот цех по каким-то причинам был закрыт.

Биореактор-метантенк был законсервирован.

В начале 80-х годов, где-то через 12 лет, они решили восстановить эту технологию, уже с целью получения биогаза и очистки стоков.

Добавили свежего субстрата-спиртовую барду, восстановили оптимальную температуру – 52–53 °C и, как сказал несколько позднее М.С. Горбачев, и «процесс пошел». Природа такого поведения метаногенов в составе биоценозов и даже симбионтов непонятна и не изучена. Но «Всевышний» создал такой механизм и благодаря ему эти бактерии активно существуют вот уже 4.5–5 миллиардов лет, и очень многое сделали и делают для человечества.

Глава 33. Метаногены и образование ископаемых углеводородов

И эти древнейшие бактерии с момента их возникновения работают на благо человечества. Прежде всего речь идет об их активном участии в биогеопроцессах по образованию нефти и каменного угля, сопровождавшихся и сопровождающихся накоплением метана в промышленных масштабах.

Впервые гипотезу о роли метаногенов в геохимических процессах, связанных с образованием газа, нефти и угля, выдвинул известный русский микробиолог С.И. Кузнецов в 50-е годы ХХ столетия. Позднее эта гипотеза была подтверждена исследованиями геохимиков и получила право на теорию.

Важнейшая проблема современной мировой энергетики – высокая скорость потребления разведанных запасов традиционных видов углеводородного топлива, и, прежде всего, нефти – основного сырья для производства моторного топлива. В ближайшие десятилетия до 40–50 % энергетического топлива по-прежнему будет приходиться на нефть. И хотя оцененных запасов нефти, природного газа и угля и открытых новых месторождений углеводородов даже при условии резкого возрастания их потребления в ближайшее десятилетие такими странами, как Китай, Индия, Индонезия, Бразилия и Россия (а на подходе Африка и страны Латинской Америки) будет достаточно, чтобы обеспечить человечество на несколько десятилетий и более, в недалеком будущем так или иначе человечество столкнемся с проблемой не только производства топлива в необходимых объемах, но и экологического загрязнения окружающей среды продуктами их переработки и сгорания углеводородного топлива. И эти проблемы придется решать.

Могут ли возобновляемые источники энергии, включая промышленную биоэнергетику, заместить возрастающий дефицит этого топлива и значительно уменьшить его долю? Да, могут! Но это будет топливо не углеродной природы. И на один из путей решения указывают биологические процессы, протекавшие ранее на нашей планете в первые два миллиарда лет – в эпоху архейского эона. Речь идет о научно обоснованной гипотезе о глобальной роли метаногенов (метанобразующих бактерий) в эволюции первичной атмосферы, гидросферы, климата, а так-же о биогенезе воды и углеводородов архейского периода. Представители этой малоизвестной группы бактерий выводят их единственный источник энергии и углерода из уникального анаэробного обмена, который восстанавливает водородом двуокись углерода до метана и воды [39]:

4Н₂ + СО₂ = СН₄ + 2Н₂О + энергия (12 ккал/моль) (1)

Глава 34. Метаногены и нефть

В 1985 г. в работе автора статьи “Биохимия метаногенеза” впервые было предположено, что “образование метаногенами разветвленных изопреноидов представляет интерес как важный момент их участия в образовании первичной нефти задолго до возникновения оксигенного фотосинтеза”.

Существуют две гипотезы генезиса нефти: (1) абиогенный синтез и (2) биогенный, или органический, генезис. Вполне вероятно, что имеют место оба процесса. Нефть – результат литогенеза. Это жидкая гидрофобная фаза продуктов фоссилизации (захоронения) органического вещества (керогена) в водно-осадочных отложениях. Биогенное нефтеобразование – стадийный, весьма длительный (много млн. лет) процесс, начинающийся ещё в живом веществе. Ниже будет рассмотрена предполагаемая роль метаногенов в геобиохимических процессах и возможном генезисе нефти в период Архея и в более поздних периодах геологической эволюции Земли.

Дэвид Мак-Квин (1986) [39] полагает, что нефть образовалась внезапным погребением растений и животных в бурных водах потопа. (Только «потопа» недостаточно – прим. автора). На биогенез нефти указывает широкое распространение порфиринов в осадочных породах и сырой нефти. Порфирины входят в состав хлорофилла, в цитохромы, в гемоглобин, в бактериальные кобаламины, а также в никель-порфирины (фактор 430 – соединение, участвующее в энергетическом обмене и синтезе метана у метаногенов и присущее только этой группе организмов). По М. Квину образование никель-порфиринов нефти связано с замещением атома железа, магния и, возможно, кобальта никелем под длительным воздействием геофизикохимических условий осадочных пород на перестройку хлорофилла или гемоглобина отмирающих представителей древней фауны и флоры [39]. Никельсодержащие комплексы обладают повышенной стойкостью. Имеются прямые экспериментальные данные, свидетельствующие о том, что только 4-25 % ванадия и никеля содержатся в нефти в виде ванадил- и никель-порфиринов [40].

Открытие доминирующей роли никель-порфиринов в виде F430 в ключевой реакции метаногенеза при восстановлении метильной группы в метан [40], прямо указывает на то, что никель-порфирины сырой нефти и керогенов – это следы активной жизнедеятельности древнейших метаногенов в генезисе углеводородов в конце архея и в последующие геологические эпохи. Никель для жизнедеятельности метаногенов и восстановления метильной группы в метан играет значительно большую роль, чем кобальт, хотя оба они входят в ядра порфириновых структур либо фактор 430 (никель), либо кобаламинов (кобальт). Никель-порфирины нефтиважнейшие “биомаркеры” метаногенной природы. В сухих клетках одного из исследованных метаногенов содержание никеля составляет 0.013 %, то есть в 260 раз больше, чем в сырых растениях и в 52 раза больше, чем в сухих. Определены структура, функция и биосинтез никель-порфиринового кофермента F430, который является простетической группой метил – кофермента М-редуктазы. Предполагается, что архебактерии существовали по крайней мере в течение одного миллиарда лет и более чем три миллиарда лет назад [40]. Высокие концентрации никеля в метаногенах предполагают, что месторождения никелевых руд тоже могли возникнуть в результате массовой гибели метаногенов в конце архейской эпохи. Такая же гипотеза может относиться и к рудным месторождениям кобальта, молибдена, вольфрама и ваннадия – металлов, участвующих в отдельных реакциях метаногенеза.

Важным “биомаркером” метаногенного происхождения нефти может быть фитан. Его источником являются фитанильные эфиры, входящие в состав мембран клеток метаногенов и других архебактерий. [41] (Дж. Хан полагает, что большая часть изопреноидных углеводородов в осадочных породах так же стара, как Докембрий, и имеет археабактериальное происхождение и археабактерии внесли значительный вклад в осадочные органические вещества на протяжении большей части истории Земли, по крайней мере с конца Протерозоя.) Изопреноидные алканы (насыщенные углеводороды) C₂₀-C₂₆ найдены в нескольких пластах старейших известных отложений в районе Исуа в Гренландии. Изопреноидные углеводороды входят в состав цитоплазматических мембран метаногенов.

Мембраны метаногенов состоят из молекул, разительно отличающихся от мембран других форм жизни. Основные структуры клеточных мембран метаногенов – двойной слой фосфолипидов, называемых липидным бислоем (рис. 1). Мембранные липиды метаногенных бактерий содержат глицерин дифитанил диэфиры и дибифитанил диглицерол тетраэфиры. Цитоплазматическая мембрана (ЦМ) одного из исследованных метаногенов составляет 8 % от веса сухой биомассы, липиды – 30–35 % от веса ЦМ, или 2.5–2.8 % от веса сухой биомассы. Сухая масса метаногенов, рассчитанная по предполагаемым синтезированным объемам метана и воды, могла составлять к концу архея 540 кг/м² с содержанием почти 15 кг/м² чистых липидов или изопреноидных углеводородов. Предполагаемое общее количество сухой биомассы только метаногенов на всей земной поверхности к моменту их глобальной гибели могло составить около 280 трлн (2.8 10¹⁴) т или чистых изопреноидов – 6.72 трлн (0.067-10¹⁴)т, и если эта масса конвертировалась в протонефть, то количество последней в 2500 раз (в 60 раз по липидам) превышает весь объем ныне разведанной нефти, то есть первые углеводороды могли возникнуть до появления эпохи фотосинтеза и аэробного дыхания.

Природа возможного образования архейских углеводородов и природа образования нефти в более поздние эпохи (оксигенного фотосинтеза и кислородного дыхания) различаются по биологическому механизму, геохимическим и геофизическим условиям: архейские углеводороды – это непосредственный диагенез биомассы и липидов мембран погибших метаногенов и других анаэробных археев; углеводороды более поздних эпох – это диагенез продуктов биологического фотосинтеза (флоры и фауны), первый этап которого протекал под активным воздействием метаногенного консорциума (анаэробные гетеротрофы и метаногены) по аналогии с процессами, протекающими в метантенках и мусорных отвалах. Для образования углеводородов и метана из продуктов фотосинтеза недостаточно только “водного потопа” – необходимо плотное замкнутое пространство, иначе ни природного газа, ни углеводородов (жидких и твердых) обнаружить никогда бы не удалось – газ быстро улетучился бы через водное пространство или окислился, а от биомассы, предшествующей углеводородам, ничего бы не осталось. Современные оценки показывают, что суммарная биомасса существующих на планете представителей архея составляет 10¹⁴ т и совпадает с расчетными данными предполагаемой сухой массы погибших к концу архея метаногенов и превышает посчитанную до этого биомассу всех остальных форм жизни -2,4^ 10¹² т. Эти расчеты предполагают, что объемы сухой биомассы метаногенов как источников протоуглеводородов могли значительно превышать современные разведанные запасы нефти.

Куда же могли исчезнуть архейские углеводороды? Согласно концепции А.Ф. Добрянского остатки флоры и фауны (это относится и к биомассе архейских организмов) под воздействием высоких температур и давления преобразуется в первую очередь в кероген, затем в битум и, наконец, в нефть и газ. А архейская нефть могла в конце концов превратиться в газ (метан) и графит, действительно распространенные именно в древних отложениях. Керогены – это полимерные органические материалы, расположенные в существующих породах, например, в нефтеносных сланцах, и являющися одной из форм нетрадиционной нефти. Ранняя эволюция архей поддерживается открытием метана, обедненного изотопом 13С в гидротермальных жидкостных включениях в кремнии из Пилбара Кратон в Австралии возрастом ~ 3.5 млрд лет. В позднем архее метаногены и другие археи вероятно сыграли основную роль в глобальном углеродном цикле. Керогены с 513C значениями до -60 %о являются общими между 2800 и 2600 миллионами лет. Эти керогены могли быть сформированы путем захоронения метанотрофов или других организмов, которые ассимилировали 13С обедненный углерод в результате изотопного фракционирования при архейском метаногенезе [42]. Согласно Р. Бьюик с соавт., во всех случаях, нефть, по-видимому, генерировалась в течение архея из архейских сланцев и мигрировала до позднеархейского или раннепротерозойского метаморфизма, закрывшего движение жидкости. Изначальная бактериальная биомасса, продуцировавшая кероген лабильного типа, часто подвергалась захоронению в достаточных для успешной генерации и миграции нефти количествах [43]. Расчеты показывают, что предполагаемая масса углерода архейских метаногенов и других архей (135000 млрд. т) почти в 80–90 раз превосходит суммарную массу углерода (1583 млрд. т) разведанных углеводородов и углерода (уголь, графит и т. д.). Таким образом, возможно, что запасы ископаемых архейских углеводородов и углерода значительно превышают уже разведанные. Их обнаружение и добыча могут отодвинуть на определенный срок истощение ископаемого топлива, но проблема изыскания новых экологически чистых источников энергии все равно остается.

Величайшая роль метаногенов состоит в том, что они принимали активнейшее участие в создании и углеводородов (метана, нефти и др.), и гидросферы. Они открыли пути к эволюции современной атмосферы и всего живого, а главное, законсервировали половину утилизированного космического водорода (наиболее мощного энергетического материала) в виде воды – основного источника биологической энергии для всего многообразия растительного и животного мира посредством оксигенного фотосинтеза. Если метаногены в эпоху архейского эона были причастны к массовому образованию воды из молекулярного водорода древней атмосферы, то можно ли, используя современные знания о механизме биосинтеза метана из СО₂ и Н₂ и создав искусственные фотосенсибилизирующие металл-(молибден-вольфрам) – органические катализаторы, применить промышленные нанотехнологии для получения молекулярного водорода из воды?

Впервые Ф420-зависимое образование молекулярного водорода из формиата ферментными системами Methanobacterium ruminantium описано Робертом Вольфом с сотр. в 1975 г. [30]. F420 открыт Р. Вольфом в 1972 г.

Образование молекулярного водорода из формиатов (соли и эфиры муравьиной кислоты) и метанола бесклеточными экстрактами синтрофной термофильной культуры метаногена Mbac. Kuzneceovii было описано в 1976 г. На этих же препаратах впервые было показано фотообразование молекулярного водорода из формиата и метанола (рис. 2) [44]. В 1985 г. В.В. Никандров, Е.С. Панцхава и А.А. Красновский впервые экспериментально установили фотообразование молекулярного водорода из протонов воды в присутствии F420 [34].

Группой Р.К. Тауэра в Германии было показано, что в сложном механизме восстановления СО₂ в метан молекулярным водородом имеется две реакции, в которых при восстановлении двух промежуточных интермедиатов образуется две молекулы воды, и одна реакция, в которой при дегидратации одного из промежуточных интермедиатов может образовываться молекулярный водород. Эти реакции хорошо изучены, все они обратимы.

В 2008 г были опубликованы результаты исследований образования молекулярного водорода из формиата покоящимися клетками Methanococcus maripaludis, синтезирующими метан из формиата или водорода и CO₂ (рис. 34–30).

Первая реакция: образование формилметанофурана (НСО-МФ) и молекулы воды при восстановлении диоксида углерода водородом при участии метанофурана (МФ). Реакция осуществляется ключевым ферментом метаногенеза – формилметанофуран дегидрогеназой(ЕС 1.2.99.5), являющимся молибден-, волфрам– и селензависимым.

Вторая реакция: восстановление 5-формил-тетрагид -

рометаноптерина (5-НСОН₄ МРТ) в 5,10-метенил-тетрагидро-метаноптерин (5,10-СН-ЩМРТ) с образованием воды. Реакция осуществляется ферментом метенилтетрогид-рометаноптерин циклогидролаза (ЕС 3.5.4.27).

Из некоторых видов метаногенов выделен водородобразующий фермент Н₂-формил-N₅N₁₀ – метилентетрогидрометаноптерин дегидрогеназа (Hmd), осуществляющий обратимую реакцию дегидрирования 5,10-метилентетро-гидрометаноптерина (5,10-СН₂=Н₄МРТ) в 5,10-метенилтетрагидрометаноптерин (5,10-СН₂=Н₄МРТ) и водород.

В последние годы активно исследуются фотосенсибилизирующие характеристики ряда окислов металлов (селена, цинка, титана, вольфрама, молибдена, рения и рутения) в плане их способности в фотообразовании водорода из воды [45].

Отечественные и зарубежные исследования дают основание полагать, что синтезированные de novo искусственные системы с фотосенсибилизирующими металлорганическими катализаторами (ФСМОК) могут осуществить обратную реакцию той, которую активно проводили метаногены в первые 2–2,5 млрд. лет существования Земли.

2 Н₂О + ФСМОК = 2 Н₂ + О₂ + ФСМОК

Объём гидросферыводной оболочки Земли – составляет около 1.4–1.5 млрд. км³ и может стать мощным и практически бесконечным источником энергии в виде молекулярного водорода, а теплотворная способность водорода в 4 раза выше, чем у каменного угля. Идея водородной энергетики стала особенно популярной в связи с обострившейся потребностью в разработке “чистых” источников энергии.

Мировое потребление энергии к 2030 г. составит, по прогнозам Администрации энергетической информации (АЭИ) министерства энергетики США (International Energy Outlook 2008) 19–10¹⁰ Гкал/год. Ресурсы для получения водорода практически неограниченны, ими могут быть воды Мирового океана, энергетические запасы водорода которого исчисляются в 36.7-10¹⁷ Гкал. Океан содержит в 19 млн раз больше энергии, чем будет необходимо мировому сообществу в 2030 г.

Глава 35. Метаногены, гидросфера и атмосфера. Климат

В самом начале архейской эры воды на Земле было мало, вместо единого океана существовали лишь разрозненные мелководные бассейны. Температура воды достигала 70–90 °C, что могло наблюдаться лишь в случае существования у Земли того времени плотной углекислотной атмосферы. Ведь из всех возможных газов только СО₂ мог создать повышенное давление атмосферы (для архея – 8-10 бар). Азота в атмосфере раннего архея было очень мало (10–15 % от объёма всей архейской атмосферы), кислород вообще практически отсутствовал, а такие газы, как метан, неустойчивы и быстро разлагаются под влиянием жёсткого излучения Солнца (особенно в присутствии гидроксилиона, также при этом возникающего во влажной атмосфере). [59].

Температура архейской атмосферы при парниковом эффекте достигала почти 120 °C. Если бы при том же давлении атмосфера в архее состояла, например, только из азота, то приземные температуры были бы ещё выше и достигали 100 °C, а температура при парниковом эффекте превышала бы 140 °C.

Примерно 3,4 млрд. лет назад количество воды на Земле значительно увеличилось и возник Мировой океан, перекрывший гребни срединноокеанических хребтов. В результате заметно усилилась гидратация базальтовой океанической коры, а скорость роста парциального давления CO₂ в позднеархейской атмосфере несколько снизилась. Наиболее радикальное падение давления СО₂ произошло только на рубеже архея и протерозоя после выделения земного ядра и связанного с ним резкого уменьшения тектонической активности Земли. Благодаря этому в раннем протерозое столь же резко сократились выплавки океанических базальтов. Базальтовый слой океанической коры стал заметно более тонким, чем он был в архее, и под ним впервые сформировался серпентинитовый слой – главный и постоянно обновляемый резервуар связанной воды на Земле.

Японские специалисты предполагают, что почти вся вода на Земле появилась здесь же, а не была занесена из космоса. Геологи из токийского Института технологий отмечают, что на этапе начального формирования планеты в структуре Земли присутствовали целые пласты, состоящие из водорода, они вступали в химическую реакцию с кислородом, присутствующим в земной мантии, в результате чего на планете образовывалась вода в больших количествах. "Вода крайне необходима для возникновения и развития жизни на Земле, однако откуда она появилась на планете и почему она существует?", – задает вопрос ученый из Института технологий в Токио Хиденори Генда.[60]

Приведенная в этом абзаце возможная характеристика гидросферы и атмосферы первобытной Земли периода архея и согласуется с воззрениями Дж. Кастинга о роли метаногенов в эволиции атмосферы и парникового эффекта.

Однако открытым остается вопрос о наличии водорода в первобытной атмосфере. Водород был. Об этом говорит ряд исследований. Более того, если придерживаться точки зрения Дж. Кастинга, то без водорода ни о каком царствовании метаногенов не может быть речи.

Что касается гидросферы и эволюции мирового океана?. То точка зрения этих авторов согласуется с нашим видением того, что образование мирового океана тесно связано с активной деятельностью водородных термофильных или гипертермофильных метаногенов на первобытной Земле. [61].

Эоны подразделяются на эры и т. д. Архей делится на две эры: ранний архей и поздний архей. Ранним археем датируются первые ископаемые остатки бактерий и цианобактерий.

На основании известных современной науке данных можно принять точку зрения Г.А. ЗАВАРЗИНА, – ЭВОЛЮЦИИ В БАКТЕРИАЛЬНОМ МИРЕ ЛИБО ВООБЩЕ НЕ БЫЛО, ЛИБО, ЕСЛИ ОНА БЫЛА, ТО ШЛА СОВСЕМ ПО ДРУГИМ ПРИНЦИПАМ, нежели у многоклеточных растений и животных [62,63, 64]

Возможно археабактериальной эволюции (если и была, то внутри царства) не было. Была смена БИОГЕОФИЗИКОХИМИЧЕСКИХ УЛОВИЙ ВНЕШНЕЙ СРЕДЫ: температуры, влажности, давления, минерализации. [65].

Биологический механизм получения энергии у представителей метаногенов был высокоразвитым, но эволюционно оказался тупиковым. Они приспособились к новым условиям в экстремальных нишах, но не эволюционировали. (Это лишь одна из версий автора.)

Несмотря на общность, в целом, геофизикохимических условий на первобытной земле в эпоху Архея: доминирование в атмосфере водорода и диоксида углерода, высокого давления и низкой влажности, – в отдельных нишах могли и имели место отличительные условия: более высокая соленость, низкая кислотность и высокая щелочность, более высокие температуры, наличие окислов серы и молекулярной серы.

Физиологическая и биохимическая особенность метаногенов позволят предположить поливариантность возникновения жизни, а не о существования единого эволюционного древа. (Панцхава., семинар А.И. Опарина «Происхождение жизни на Земле», конец 70-х годов). [66]

В Эоне Архея благодаря разнообразию форм абиогенного синтеза могли создаться условия для возникновения множества форм примитивной жизни.

Эта биохимическое развитие шло миллионы лет.

На рисунке показана одна из версий истории атмосферы и приведенной ниже таблице суммированы изменения в составе газа. (Состав газов из современных вулканов и современной воды планеты (Примечания: Лот Догадки и предположения)

Данные, приведенные в таблице 35-5, подтверждают гипотезу о влиянии метаногенов на эволюцию атмосферы в эпоху Архея. (Фазы первая и вторая).

ТЕРМОФИЛЬНЫЕ И ГИПЕРТЕРМОФИЛЬНЫЕ МЕТАНОГЕНЫ СОТВОРИЛИ ВОДУ

Поэтому есть веские основания предполагать, что жизнь на Земле зародилась в пропитанном водой и элементоорганическими соединениями первозданном грунте и вулканических пеплах в начале раннего архея, около 4,0–3,9 млрд лет назад в то время, когда на Земле возникла восстановительная азотно-углекислотно-метановая атмосфера (см. раздел 10.2 О.Г. Сорохтин с соавт.) Полагают, что в середине архея, около 3,1 млрд лет назад, масса воды в гидросфере Земли увеличилась так, что отдельные морские бассейны стали сливаться друг с другом в единый Мировой океан и его поверхность тогда же перекрыла гребни срединно-океанических хребтов [67].

Исходя из данных таблицы и предполагаемом давлении атмрсферы в 10 бар, а также с учетом того, что весь водород был утилизирован метаногенами, было рассчитано количество образованной воды на 1 кв. м за счет метаногенеза.

Соотношение газов в % по массе по данным таблицы (первая фаза): пары воды. 5.8 %, N2 1.7 %, CO₂ 57 %, H2 4.6 %, He 9.1 %, CH4 21.8%

Соотношение газов в по массе (тонн)по данным таблицы на 1 м² (при давлении 10 бар) – пары воды. 5.8 т, N₂ 1,7 т, CO₂ 57 т, H₂ 4.6 т, He 9.1 т, CH₄ 21.8т

Глубина водоема, рассчитанная по водороду первой фазы, потребленного метаногенами – 20.7 м

Глубина водоема, рассчитанная по количеству образованного метана (первая фаза) – 49 м

Предполагаемая конечная общая глубина первобытного океана, как результат деятельности метаногенов, – 69.7 м

Общее количество изначального водорода, учитывая указанное содержание метана – 15.5 т /м²)

Общее гипотетическое количество образовавшегося за весь период метаногенеза метана – 31 т/м²

Количество CO₂, превративщееся в метан – 25.3 т/м²

Начальное общее количество CO₂, восстановленное в метан и превращенное в воду – 85.25 т/м²

Изначальное давление CO₂ на землю составляло около 10 бар или 10 kg/cm²

Первоначальное соотношение Водорода и CO₂ могло составлять 80 % и 20%

В первые 0.5 млрд. лет ВОДЯНОГО ПАРА, практически, не было.

Это может указывать на то, что либо на поверхности первобытной Земли было мало воды (многие исследователи придерживаются этой точки зрения), либо температуры вблизи поверхности Земли были небольшими (что противоречит точки зрения большинства исследователей).

Поэтому следует остановится на первом варианте – малое содержание воды.

Потребление CO₂ метаногенами привело к значительному снижению давления.

Все вышесказанное ставит еще один очень важный вопрос: как долго существовал активный метаногенез? И с какой скоростью происходило образование метана?

Таблица. 35-1

Изменение состава газов атмосферы Земли по периодам в течение 4.5 млрд. лет.

По Дж. Кастингу (Рис. 32) активная фаза метаногенеза составляла 800 млн. лет, из них первая фаза активного развития заняла 200 млн. лет, плато, когда общее количество метана не менялось, – 500 млн. лет. Эти 800 лет возможно протекали в термофильных условиях при температуре 50 °C-65 °C. Затем наступает вторая фаза активного развития – возможно гипертермофильные условия – 90-110 °C. Эта фаза длится 100 млн. лет. И далее второе плато – 700 млн. лет, либо метан не образовывался и его концентрация в атмосфере оставалась неизменной, либо скорость образования метана уравновешивалась скоростью его уменьшения: анаэробное окисление или эмиссия в космос. Кстати, анаэробная метанотрофия согласно Ф. Баттистуззи возникла 3.1 млрд. лет назад.

Рис 35-1. Эволюция атмосферы Земли по Дж. Кастингу. [68].

Таким образом, общее время активного метаногенеза могло составить 1.5 млрд. лет. Если общее гипотетическое количество метана могло составить 31 т/м², то в год образовывалось до 29 мл/м² метана, или в сутки 79 х10^-3 мл/м², что мало вероятно. Если учитывать только общее время активного образования 300 млн. лет, то суточная скорость могла быть равна 0.4 мл/м² метана, что также достаточно мало.

По схеме Дж. Кастинга количество метана, образовавшегося в первую активную фазу и во вторую, приблизительно равны. Тогда скорость образования метана в первую фазу равна 29х10^-2мл/м²/сутки, во вторую фазу – 0.59х10^-2 мл/м²/сутки метана. Но это также очень мало.

А какие данные по времени активного метаногенеза могли бы быть, если для расчетов взять время удвоения биомассы различных видов метаногенов?. Эти результаты приведены в таблице 34-5.

Для ответа на поставленные вопросы были использованы данные по росту Methanobacterium thermoautotrophicum на смеси газов H₂ + CO₂.

При температуре…65 °C продуктивность по метану составила 288 литров на литр среды в день с содержанием метана 96 %, продуктивность была в 2 раза выше, чем описывалось в более ранних исследованиях. Выход сухой биомассы составил 3.6 г/л среды, или 12 г/час/л среды..[69].

Если использовать указанные данные по росту Mbac. Thermoautotrophicum в проточной культуре, то в эпоху Архей за счет всего утилизируемого водорода на 1 кв. м накопилось бы до 540 кг сухой биомассы клеток, или на 1 М образованного метана усваивается 1.75 % биомассы или 0.875 % углерода.

Если использовать эти данные, то общее количество сухой биомассы только метаногенов на всей земной поверхности к моменту их глобальной гибели могло составить около 280 трлн. т (или чистых изопренов – 22.4 трлн. т), и, если эта масса конвертировалась в протонефть, то количество последний в 2500 раз (в 200 раз) превышает весь объем ныне разведанной нефти. И если этот процесс имел место, то первая нефть могла возникнуть до появления фотосинтеза и аэробной эпохи.

Скорость образования метана: При указанных выше данных и высоте воды в 1 см или 0.01 м объем воды равен 10 л/м² и весь водород будет утилизирован в течение 19436 дней или в течение 53 лет. ТАКИХ СКОРОСТЕЙ НЕ МОГЛО БЫТЬ!

Если же предложить гипотезу, что метаногенез шел со скоростью 288 литров на литр среды в день с содержанием метана 96 %, то в течение 1 млрд. лет количество всего образованного метана могло со ставить 1050 м³/год/м² или 1050 х 1000 000 000 = 10.5 х 10¹¹м³/м², или 7.5 х 10¹¹кг, что равно 7.5 х 10⁸т/м²(750 млн. т⁾, или общее количество метана на всей первобытной земле – 7.5 х 10⁸ х 5102 х 10¹¹т = 38 х 10²¹т или 53.2 х 10²³м³ = 53.2 х 10¹¹трлн. м³. Тогда возможная общая сухая масса метаногенов могла составить 66.5 х 10⁵трлн. т, что в 60 млн. раз больше объемов разведанной нефти (111.3 млрд. т).

Глубина океана тогда должна была составить 1.7 млн. км. ЭТО НЕРЕАЛЬНО!!!

Используем для расчетов гипотетических данных среднюю скорость образования метана в современных метантенках классического типа, так как Дж. Кастинг полагает, что в архейскую эпоху скорость образования метана была близкой к современной: 1 м³ биогаза/м³ метантенка или 1 л/л. (При содержании метана в биогазе – 60 %).

На 10 л среды при площади 1 м² образовывалось 6 л метана в сутки, в год – 2.2 м³, за 1.1 млрд. лет – 2.42 х 10⁹ м³ = 1.73 млрд. кг = 1.73 млн. тонн/м².

Таблица. 35-2

Гипотетические данные по глубинам мирового океана, как производных архейского метаногенеза

Тогда общая масса биомассы метаногенов должна быть в пределах 0.03 млн. т = 30 тысяч тонн, на всю поверхность Земли = 153000000х10¹¹ = 153х10¹⁷ = 153х10⁵трлн. т. (12.24 х10⁵трлн. т). При таком расчете весь гипотетический объем «ПРОТОНЕФТИ» мог составить 15.3Э (экса 10¹⁸) тонн, что в 140 млн. раз (11 млн. раз) больше обнаруженной нефти.

Археи(Archaea, старое название – архебактерии,

Archaebacteria) – особый домен (по трёхдоменной системе Карла Вёзе наряду с эубактериями и эукариотами). Оценки учёных позволяют утверждать, что суммарная биомасса архей на планете (10¹⁴ тонн) превышает посчитанную до этого биомассу всех остальных форм жизни^[1] – 2,4*10¹² тонн.

ЦИФРЫ, УКАЗАННЫЕ В СТРОКАХ 2 и 3 – НЕРЕАЛЬНЫ/ А цифры, обозначающие бактерииальную массу метаногенов в строках 1 и 4, близки к известной оценке биомассы архей в настоящее время. Указанные расчеты показывают, что объемы сухой биомассы метаногенов, как источников «ПРОТОНЕФТИ» могли быть очень большими, и намного превышать современные разведанные запасы нефти.

Указанные расчеты позволяют предложить несколько объяснений-гипотез:

1. Скорости образования метана и накопления биомассы были значительно медленнее.

2. При глобальной катастрофе значительная часть биомассы не попала под осадочные отложения и не могла конвертироваться в нефть. Она могла быть разрушена процессами аналогчино тем, что протекают в метантенках.

ВСЕМИРНЫЙ ПОТОП МОГ ИМЕТЬ МЕСТО, НО ЗАДОЛГО ДО НОЯ!!!!.

В таблице 35-7 приведены данные по возможному времени образования метана (31 т/м²) в зависимости от времени удвоения различных видов метаногенов, в зависимости от оптимальной температуры их роста.

Для расчетов: общее количество метана 31 т/м² за предполагаемый период метаногенеза, объем среды 10 л.

У гипертермофильных метаногенов общее время развития, роста и образования метана могло составить от 150 лет до 7000 лет. Исключение: неописанный штамм Methanobacterium thermoauto-trophicum, которому понадобилось бы 21000 лет. У известных видов термофильных метаногенов это время колеблется от 2200 до 3500 лет. У мезофильных метаногенов – от 5000 до 7000 лет, но они появились значительно позднее и их в расчет брать нельзя.

Таблица. 35-3

Гипотетическое время образования метана в зависимости от времени удвоения различных видов метаногенов при оптимальной температуре их роста.

Таким образом, даже если учесть, что условия развития гипертермофильных или термофильных метаногенов значительно отличались от условий выращивания в лабораторных реакторах упомянутых в таблице видов:

1) Низкая влажность;

2) высокое давление, препятствующее выходу метана из клетки;

3) Низкая растворимость водорода в воде, особенно при высоких температурах;

4) Постоянно увеличивающийся объем воды – как результат образования метана из водорода и диоксида углерода;

5) Уменьшение концентрации Никеля;,– то скорость развития метаногенов и образования метана из водорода и диоксида углерода была по геологическим меркам очень высокой – не более 100 тысяч лет. Если брать указанное время, то в день на 1 кв. метр земной поверхности должно было образовываться до 1.12 л метана. Такая величина вполне допустима, хотя и 100 мл. метана могло быть вполне допустимой скоростью, или общее время 1 млн. лет.

Таким образом, время активного метаногенеза могло колебаться от 100 тысяч лет до 1 млн. лет.

Более реальные данные можно было бы получить, если бы знать скорость образования метана в естественных условиях у жерл «черных» или «белых» курильщиков.

МЕТАНОТРОФНЫЕ АРХЕИ МОГЛИ СОТВОРИТЬ МОЛЕКУЛЯРНЫЙ АЗОТ, но сколько?

СН₄ + 2NO₂ -> CO₂ + N₂ + 2H₂O

Конечное общее гипотетическое количество произведенного метана – 31 т/м²

При условии его полного окисления нитритом выход азота составил бы 56 т/м², CO₂ – 88 т/м² и воды 72 т/м², что исключено, т. к. общее давление могло бы составить более 20 бар, что превышает первоначальное исходное давление 10 бар.

И второе – не было таких количеств НИТРИТОВ – 200 т/м²

Рис. 35-2. Гипотетический график эволюции атмосферных газов. [69a]

(The Origin of Life on Planet Water)

Многие исследователи высказывали другие соображения о соединениях, входивших в состав первичной атмосферы. Так, например, П. Абельсон считает, что первичная атмосфера была богата азотом, водородом и углекислым газом и что эти газы под действием ультрафиолетовых лучей вступали в реакции друг с другом, что и привело к возникновению первичных органических соединений. [70].

Исследователи, занимающиеся изучением состава первобытной атмосферы и ее изменениями совершенно не учитывают биологического влияния, и, в частности, активного влияния гепертермофильных и термофильных метаногенов и других представителей гипертермофильных анаэробных архей. [65].

Общая площадь поверхности Земли 510,2 млн км2. Площадь материков и островов 149,1 млн км²=29,2 % земной поверхности. Площадь океанов 361,1 млн км²= 70,8 % земной поверхности Средняя высота материков (над уровнем моря) 860 м. Средняя глубина океанов 3700 м. Масса океанов 1,45»10²¹кг [71]. (Глубина по всей поверхности Земли 3 м).

Если предположить, что вся современная масса океанов возникла в результате деятельности метаногенов, то годовая производительность по воде за 1 млрд. лет должна составлять – 1.45 х 10¹² кг/год, в сутки – 4 млрд. кг/сутки, на 1 кв м Земли – 7.8 мг/м²/сут. Выход метана мог бы составить – 3.5 мг/м²/сут. или 4.9 мл/м²/сут.

Масса метана, образовавшаяся за 1 млрд. лет и соответствующая этой массе воды должена была составлять 644 блрд. тонн(10¹⁵). (Расход водорода – 332 блрд. тонн. Должна была происходить постоянная подпитка водородом в атмосферу со скоростью 1.8 мг/м²/сутки или около 22.4 мл в сутки на м²). Среднегодовая производительность 644 млн. т, или на 1 кв. м земли – 1.3 г/м²/год, или в сутки – 3.6 мг/м²/сутки или 5 мл метана/м²/сутки, что вполне приемлемо.

Общая сухая биомасса метаногенов за 1 млрд. лет – 11.27 блрд. тонн, – 11.27х10¹⁵тонн (0.9 блрд. т по ЦМ) что в 100 тысяч раз (8 тыс. раз по ЦМ) превышает объемы разведанной нефти.

ГИПОТЕЗА АВТОРА: ГИПЕРТЕРМОФИЛЬНЫЕ И ТЕРМОФИЛЬНЫЕ МЕТАНОГЕНЫ ОСНОВНЫЕ ПРОДУЦЕНТЫ ПЕРВОБЫТНОГО ОКЕАНА.

Расчет по Никелю: Масса воды перв. 32 х 10²¹ г или глубина 60 м.

Объем метана: 21 % или 80 х 10⁷ км³ = 0.8 х 10⁹ км³

Глубина океана около 2.5 м, если учесть весь объем биометана

Каков объем первобытной атмосферы? Давление водорода? Гипертермофильные метаногены температура? Количество воды в эпоху Архея? Какой объем воды необходим для абиогенного синтеза?

На первобытной Земле основная масса воды находилась в связанном гидратированными породами состоянии, поэтому первоначально Мировой океан содержал меньше 10 % (глубина первобытного океана = 300 м) того количества воды (возможно еще меньше), которое содержат современные океаны. Остальные 90 % образовались позднее за счет выделения паров воды из внутренних слоев Земли. (и метаногенов).

По существующим представлениям атмосфера древней Земли, т. е. та атмосфера, в которой развивалась жизнь, имела восстановительный характер. Она содержала главным образом водород и его соединения (метан, аммиак, пары воды), в меньшем количестве – сероводород, азот, двуокись углерода и благородные газы [72].

Объем гидросферы постоянно меняется. По расчетам ученых, 4 миллиарда лет назад ее объем составлял всего 20 миллионов км³ (глубина первобытного океана 40 м), то есть объем был почти в 70 раз меньше современного [73]

Первая атмосфера Земли состояла из наиболее распространённых во Вселенной элементов: водорода и гелия.

Потеря Землёй водородной атмосферы привела к уменьшению давления в ядре, что сопровождалось плавлением некоторых пород и ускорением газовыделения в атмосферу. Диссипация водорода привела к охлаждению атмосферы и поверхности Земли. Сформировавшаяся в результате газовыделения из разогретых пород атмосфера получила название первичной. Большинство учёных считают, что она состояла из; метана (СН4), аммиака (NH3) и паров воды. Существуют модели, допускающие присутствие Н2, N2, CO₂, CO, H2S. В любом случае первичная атмосфера состояла в основном из неорганических соединений.

Отметим некоторые надёжно установленные особенности первичной атмосферы. Во-первых, конденсация воды с образованием гидросферы могла произойти только после остывания поверхности Земли до температуры ниже температуры кипения воды. По оценкам, это произошло около 4 млрд лет тому назад (около 3-х млрд. лет) и объём воды на поверхности не превышал 0,1 объёма современных океанов.

Во-вторых, в первичной атмосфере практически отсутствовал свободный кислород, который появился только после возникновения простейших форм жизни около 3 млрд лет тому назад (немного позднее). [74].

НАШЕ ЗАМЕЧАНИЕ: Конденсация воды могла начаться около 2.3–2.5 млрд. лет назад.

Таблица. 35-4

Гипотетическая глубина первобытного океана по оценке разных исследователей.

Произведены измерения коэффициентов распределения между никелем и различными гидроокислами железа в воде моделируемого моря докембрия, и показано, что растворенные концентрации никеля возможно достигли ~ 400 нм на большей части территории архейской эры, но упали ниже ~ 200 нм 2,5 млрд лет спустя, и в наши дни~ 550 млн лет назад эта величина составляет ~ 9 нм.

Никель является одним из ключевых элементов металлсодержащих кофакторов в нескольких ферментах метаногенов. Авторы [75] предполагают, что его уменьшение привело к сокращению деятельности представителей Архей, включая метаногены, в древних водных бассейнах и прекратили образование биогенного метана. Поэтому снижение образования биогенного метана связано, прежде всего, с этим явлением, а не с его окислением. Снижение биогенного образования метана в связи с уменьшением вулканических выбрасов никеля из мантии повлияло на окислительно-восстановительное состояние атмосферы и дальнейшую эволюцию.

Концетрация никеля в первобытном океане равна 112 х 10^-9 %, то есть концентрация никеля в клетках метаногенов на примере М hungatii в 134 раз выше. Через 2.5 млрд. лет концентрация никеля в море упала вдвое и равна 56 х 10^-9 %. В настоящее время концентрация никеля в морской воде равна 2.5 х 10^-9 %, или в сухих клетках метаногенов содержание никеля почти в 5900 раз выше, чем в морской воде.[76].

Метаногены были основными биологическими производителями воды в эпоху Архея 4Н₂ + CO₂ = СН₄ + 2Н₂О Из пяти молекул газовой смеси образуется две молекулы воды и одна молекула газа.

ВОЗМОЖНАЯ ИТОГОВАЯ БИОМАССА МЕТАНОГЕНОВ.

ДОПУЩЕНИЕ.

На 100 молей С, конвертируемого в МЕТАН, усваивается клеткой 1 моль углерода, или на 100 молей образованного метана накапливается 24 г биомассы или на 400 молей усвоенного водорода (800 г = 0.8 кг = 0.0008 т) – 24 г биомассы.

При первичной массе водорода 20 т/м² общий итоговый суммарный прирост биомассы составил бы 600 кг/м².

Цитоплазматическая мембрана составляет 8 % от сухих клеток, или 48 кг/м². Масса липидов 30–35 % от массы мембраны, или содержание липидов на 1 кв. м первобытной земли после деятельности метаногенов = 16 кг/м².

Общее содержание липидов в результате массовой гибели гипертермофильных метаногенов могло составить на земле 8.163 трлн. т или первобытной нефти.

При использовании всей первичной биомассы метаногенов итоговое количество первобытной нефти могло составить 245 трлн. т.

Разведанные запасы нефти 111.3 млрд. т или в 2200 раз меньше. За счет утилизации СО₂ метаногенами давление могло снизиться до 1.0 бара.

Появление абиогенной нефти – это еще большой вопрос!

Суммарное содержание Никеля в суммарной итоговой биомассе метаногенов 0.017 кг/м или 14 мкМ при глубине 20 м или объеме воды 20 м³.

Содержание Никеля в клетках метаногенов на примере Methanospirillum hungatei в 35 раз больше, чем в первобытном океане (4 млрд. лет назад), в 70 раз больше, чем спустя 2.5 млрд. лет, и в 1500 раз больше, чем 55 млн. лет назад (ссылка)

СКОРОСТЬ ПОТРЕБЛЕНИЯ ВОДОРОДА И ОБРАЗОВАНИЯ МЕТАНА

УСЛОВИЕ: за 1 млрд. лет, потреблен весь расчетный водород

Образование воды – 20 мг/год/м²

потребление водорода – 4.44 мг/год/м²

образовано метана – 8.88 мг/год/м²

Столь низке скорости могут объясняться высокими температурами, давлением и низкой первоначальной влажностью.

Метаногены – нефть: пассивное участие как биомасса, что их останавливало?

Наши предположения: 1) Давление образовавшегося метана в осадочных породах; 2) Снижение влажности. [77]

Глава 36. Энергетика будущего тесно связана с далеким прошлым нашей планеты

Метаногены в эпоху архея создали мощнейший аккумулятор энергии в виде окиси водорода, или воды. Будущее энергетики – биоэнергетика водорода воды или фотобиохимические нанотехнологии промышленного производства водорода из воды, основанные на реакциях биофотолиза воды, первоначального восстановления диоксида углерода молекулярным водородом или окисления С-1 соединений метаногенов. Это – планетарная программа, ее осуществление требует совместных усилий экономически развитых стран и создания плана совместных действий и решений по отдельным направлениям проблемы.

Рис. 36-1. Изопреновые «хвосты» мембранных эфиров метаногенов [46]

(a) дибифитанил-диглецерол-тетраэфир;

(b) макроциклический диэфир;

(c) тетритол-дифитанил-диэфир;

(d) 3-О-фитанил-sn-глицерол.

Рис. 36-2. Предполагаемая схема получения фотоводорода из СН₃ОН и НСООН бесклеточными экстрактами синтрофной культуры

Methanobacillus kuzneceovii.

Рис. 36-3. Предполагаемая схема получение водорода из НСООН покоящимися клетками Methanococcus maripaludis.[47]

Раздел второй
Биогаз и его производство

Подраздел первый

Глава 37. Что такое биогаз?

Биогаз возникает в следствии разложения органических субстратов анаэробными (без доступа воздуха) бактериями. С точки зрения современной биологии (микробиологии, биохимии, биотехнологии и т. д.) это природное явление очень сложный тонкий саморегулирующийся процесс, включающий эндо– и экзобактериальные и ферментные реакции и процессы, осуществляемые как свободными клетками и ферментами, так и иммобилизованными системами. Внутри этого биоценоза существуют сложные трофические связи, регулируемые определенными концентрациями образуемых промежуточных метаболитов: водорода, аммиака, летучих жирных кислот, а также конечными продуктами: метана и диоксида углерода. Этот уникальный природный биоценоз разлагает все органические вещества растительного и животного происхождения, за исключением лигнина (его предварительно необходимо гидролизовать). Горючий метан (СН4) составляет от 50 до 85 % и является основным компонентом биогаза, а значит и основным энергосодержащим компонентом. [2]

Этот процесс разложения называют также гниением – его можно наблюдать в болтах, озерах, трясинах и т. д. Если в такой среде присутствует кислород, то органические вещества разлагают другие бактерии; в таком случае процесс будет называться компостированием. [3]. Энергия, освобождающаяся вследствие анаэробного процесса не теряется как тепло при компостировании, вследствие жизнедеятельности метановых бактерий она превращается в молекулы метана.

Процессы гниения имеют широкое распространение: в иловых отложениях морей, рек и озер („блуждающий огонек”) в трясине, болотах, порах грунта, куда не проникает кислород, на свалках мусора, в навалах навоза, лагунах, отстойниках навоза, на участках выращивания риса и в кале жвачных парнокопытных животных (они вырабатывают ок. 200 л метана в день). В воде образование метана заметно по пузырькам газа, поднимающимся на поверхность. В зависимости от места происхождения, речь может идти о болотном газе, гнилостном газе, газе сточных вод, рудном газе, свалочном газе или, как его принято называть в сельском хозяйстве, о биогазе. [3].

Газ метан, содержащийся в биогазовой смеси, имеет энергетическую ценность от 10 кВт на м³ (применительно к чистому метану) и является таким же газом, как и природный газ. Если смесь газов переводить в электрический ток с помощью генератора, то при его к. п. д. 35 % с 10 кВт брутто образуется 3,5 кВт электрического тока, который можно непосредственно подавать в сеть электрического питания. [3].

Энергия, полученная из биогаза, принадлежит к возобновляемой, так как происходит из органического возобновляемого субстрата. Энергетическое использование биогаза по сравнению со сжиганием природного газа, сжиженного газа, нефти и угля является нейтральным по отношению к CO₂, поскольку выделяемый CO₂ пребывает в пределах естественного кругооборота углерода и потребляется растениями на протяжении вегетационного периода. Таким образом, концентрация CO₂ в атмосфере по сравнению с использованием твердого топлива не увеличивается.

Биометан имеет и свои недостатки: при попадании в воздух он очень медленно окисляется на двуокись углевода и воду под воздействием солнечных лучей, озона и так называемых радикалов (молекулы НО-, быстро вступающие в реакцию). Метан после двуокиси углевода (на 50 % вызывает парниковый эффект) является наиболее распространенным загрязнителем воздуха и на 20 % вызывает явление парникового эффекта. Кроме того, при окислении он потребляет озон и этим самым делает свой вклад в увеличение озоновой дыры в стратосфере. Газовый факел, при помощи которого в аварийных случаях сжигают газ до неопасной двуокиси углерода, имеет большое значение также по этой причине.

До периода индустриализации производство метана и его расщепление пребывали в равновесии. Сегодня этот баланс в значительной мере нарушен: при добыче угля (на каждую тонну добытого угля выделяется, как минимум, 5 куб. м метана), нефти и природного газа выделяется огромное количество несожженного метана в атмосферу. К этому добавляется еще большое количество газа, которое возникает во всем мире от выращивания риса и животноводства. За последние десятилетия это привело к постоянному возрастанию метана в атмосфере Земли. По этой же причине также потребление биогаза в технических целях имеет особое значение, поскольку, таким образом, уменьшается эмиссия метана. [3].

Глава 38. Исторические корни биогазовых технологий

Отдельные случаи использования примитивных биогазовых технологий были зафиксированы в Китае, Индии, Ассирии и Персии начиная с XVII века до нашей эры. Однако систематические научные исследования биогаза начались только в XVIII веке спустя почти 3,5 тысячи лет.

Первый крупномасштабный завод по производству биогаза был построен в 1911 году в английском городе Бирмингеме для обеззараживания осадка сточных вод. Вырабатываемый биогаз использовался для производства электроэнергии. Английские ученые являются пионерами практического применения новой технологии. К 1920 году они разработали несколько типов установок для переработки сточных вод. Первая биогазовая установка для переработки твердых отходов объемом 10 м³ была разработана Неманом и Дюселье и построена в Алжире в 1938 году.

В годы Второй мировой войны, когда энергоносителей катастрофически не хватало, в Германии и Франции был сделан акцент на получение биогаза из отходов сельскохозяйственного производства, главным образом из навоза животных. Во Франции к середине 40-х годов эксплуатировалось около 2 тыс. биогазовых установок для переработки навоза. Этот опыт распространялся на соседние страны. В Венгрии существовали установки для производства биогаза.

Европейские установки довоенного периода не выдержали конкуренции в послевоенное время со стоимостью дешевых энергоносителей (жидкое топливо, природный газ, электроэнергия) и были демонтированы. Новым импульсом для их развития на новой основе стал энергетический кризис 70-х годов, когда началось стихийное внедрение биогазовых установок в странах юго-восточной Азии. Высокая плотность населения и интенсивное использование всех пригодных для возделывания сельскохозяйственных культур площадей земли, а также достаточно теплый климат, необходимый для использования биогазовых установок в самом простом варианте – без искусственного подогрева сырья, легли в основу различных национальных и международных программ по внедрению биогазовых технологий.

Сегодня биогазовые технологии стали стандартом очистки сточных вод и переработки сельскохозяйственных и твердых отходов и используются в большинстве стран мира. [2].

Природа биологического процесса разложения органических веществ с образованием метана за прошедшие тысячелетия не изменилась. Но современные наука и техника создали оборудование и системы, позволяющие сделать эти «древние» технологии рентабельными и применяемыми не только в странах с теплым климатом, но и в странах с суровым континентальным климатом, например в России.

Некоторые физико-химические характеристики биогаза приведены в табл.33-1.

Биогаз плохо растворим в воде, состоит из метана (55–85 %) и углекислого газа (15–45 %), его теплота сгорания составляет от 21 до 27,2 тыс. кДж/м (при нормальных условиях). Из 1 т органического вещества при влажности 90–95 % можно получать от 250 до 600 м³ биогаза.

Таблица.38-1

Физико-химические характеристики биогаза

Переработка 1 т свежего коровьего или свиного навоза (при влажности 85 %) может дать от 45 до 60 куб. м биогаза, 1 т куриного помета (при влажности 75 %) – до 100 м³ биогаза; 1 м³ биогаза по теплоте сгорания эквивалентен 0,7 кг мазута, 0,4 кг бензина, 0,6 кг керосина» 1.8 кг дров, 3 кг навозных брикетов. Биогаз, как и природный газ, относится к наиболее чистым видам топлива. (Таблица 38-1)

Промышленное получение биогаза из органических отходов имеет ряд преимуществ:

1. при производстве биогаза происходят эффективная очистка сточных вод, снижение содержания органических веществ до 10 раз с превращением их в топливо, при анаэробном разложении при термофильных условиях осуществляется санитарная обработка сточных вод (особенно животноводческих и коммунально-бытовых), уничтожающая яйца гельминтов, патогенную микрофлору и семена сорняков;

2. анаэробная переработка отходов животноводства, растениеводства и активного ила приводит к минерализации основных компонентов удобрений, (азота и фосфора)и их сохранению в отличие от традиционных способов приготовления органических удобрений методами компостирования, при которых теряется до 30 – 40 % азота;

3. при метановом брожении высокий КПД (80 – 90 %) превращения энергии органических веществ в биогаз;

4. биогаз с высокой эффективностью может быть использован как топливо или с КПД 83 % трансформирован в электрическую (33 %) и тепловую (50 %) энергию, он может быть использован в двигателях внутреннего сгорания;

5. биогазовые установки могут быть размещены в любом регионе страны и не требуют строительства дорогостоящих газопроводов.

Одновременно с получением газообразного топлива биогазовые технологии решают некоторые локальные проблемы экологии.

Метангенерация позволяет из любых органических отходов получать высокоэффективные экологически чистые органические удобрения. Применение таких удобрений значительно снижает использование минеральных удобрений и различных ядохимикатов, что позволяет получать экологически чистые продукты питания.

Таблица. 38-2

Сравнительные энергетические характеристики биогаза и традиционных топлив

Метангенерация снижает сроки приготовления органических удобрений от 0,5–1 года до 5-10 сут. На 1 га почвы такие удобрения вносятся в количестве от 1 до 5 т вместо 80 – 150 т необработанного навоза, и в отличии от последнего экологические удобрение проявляют свой эффект сразу же после внесения их в почву, повышая урожайность разнообразных культур на 30-100 % против применения минеральных удобрений или необработанного навоза. Повышение урожайности – это более продуктивная конверсия солнечной энергии в энергию химических связей полезных пищевых продуктов.

Биогазовые технологии – это реальное техническое решение проблем экологии. Биогазовые технологии позволяют наиболее рационально и эффективно конвертировать энергию химических связей органических отходов (Таблица 38-3) в энергию газообразного топлива и органических удобрений.

Производство и применение высокоэффективных органических удобрений позволит существенно снизить производство минеральных удобрений, на получение которых расходуется до 30 % электроэнергии, потребляемой сельским хозяйством

Таблица. 38-3

Образование биогаза из материалов растительного и животного происхождения.

Глава 39. Развитие биогазовой промышленности в России (ранее в СССР)

Предлагаемый читателю материал начинается с освещения работ, проведенных в начале 60-х годов прошлого столетия в Институте биохимии им. А.Н. Баха АН СССР. Именно эти исследования и их промышленное воплощение явились точкой отсчета в создании отечественной промышленной биоэнергетики.

С марта 1960 г. по март 1961 г. в Институте биохимии им. А.Н.Баха старшим лаборантом Быховским В.Я. и препаратором Панцхава Е.С. под руководством профессора Букина В.Н.(с 1964 г. – чл. – корр. АН СССР) и консультациях профессора, чл. – корр. АН СССР С.И. Кузнецова (ИНМИ АН СССР) были разработаны фундаментальные основы технологии производства препарата витамина В-12 и биогаза методом термофильного метанового брожения отходов (барды) ацетоно-бутилового производства.

С марта 1961 г. по конец 1964 г. в г. Грозном на Грозненском Ацетоно-бутиловом заводе проводились исследования по разработке технического регламента промышленной технологии и подбору оборудования для производства кормового витамина В-12 и биогаза на специально созданной опытно-промышленной установке с объемом опытного метантенка 200 куб. м.

Рис. 39-1. Внешний вид наземной части метантенка объемом 4500 куб.м. Цех производства Витамина В-12 на Грозненском Ацетонобутиловом завод. Пуск в эксплуатацию в 1969 г.

Эта технология была внедрена на двух ацетонобутиловых заводах в городах: Ефремов (Тульская область 1967 г.) и Грозный (ЧИ АССР 1969 г.)

Каждый цех, перерабатывая до 3000 куб. м барды в сутки производил ежедневно до 30000 куб. м биогаза, который использовался как топливо в основном производстве и экономил до 25 % природного газа, и 28 тонн сухого препарата, содержавших 1,5 кг витамина В-12 в пересчете на кристаллический. Оба завода производили в год более 1 тонны витамина В-12 в виде препарата, что полностью удовлетворило потребности в нем сельское хозяйство СССР и всего социалистического содружества.

Ефремовский завод производил в сутки до 50 тонн растворителей (бутанол: ацетон: этанол = 13:4:1) и до 29 тысяч куб. м водорода, или в год: 15000 тонн растворителей и до 8.7 МЛН. КУБ. М ВОДОРОДА.

Грозненский завод– в сутки: 74 тонны растворителей и 43 ТЫСЯЧИ КУБ. М ВОДОРОДА, В ГОД: 12.9 МЛН. КУБ. М ВОДОРОДА И ДО 22 ТЫСЯЧ ТОНН РАСТВОРИТЕЛЕЙ.-(фундаментальные основы технологии разработаны академиками В.Н Шапошниковым, Н.Д. Иерусалимским, технология – И.С Логоткиным – 1935 г.)

Одновременно, начиная с 1962 г. эта технология была внедрена на Панивежском спиртозаводе (г. Панивеж, Лит. ССР), в 1965 г. на Даугавпилском спиртозаводе (г. Даугавпилс, Латв. ССР) и в 1971 г. на Андрушевском и Калкунском спиртокомбинатах (Винницкая область, УССР), которые для производства спирта использовали сахаросвекловичную мелассу.

Рис. 39-2. Принципиальная схема получения и упаривания метановой бражки.

Технологиченская схема производства биогаза и кормового препарата витамина В-12 на Андрушевском спиртокомбинате, Винницкой области Республики Украина показана на рис. 33-….

На рисунке 39-2. показана принципиальная схема получения и упаривания метановой бражки, содержащей бактерии метанового биоценоза с внутриклеточным витамином В-12. Метановое брожение производят непрерывным способом, используя смешанную культуру метанобразующих бактерий, в анаэробных условиях при 55–57 °C. Мелассную барду, имеющую температуру 28–35 °C, поступающую из цеха кормовых дрожжей, подогревают и направляют в три метантанка вместимостью 4000 м³ каждый. Бражка из цеха сухих кормовых дрожжей через теплообменник 1 подается в метантанк 2 с температурой 53–55 °C, содержание сухих веществ в исходной барде 5,5–5,6 % и рН 4,5–5,5. Для поддержания постоянной температуры и перемешивания среды в нем бражка из нижней части насосом 4 прокачивается через подогреватель 5 и подается в верхнюю часть. Выделяющиеся в процессе брожения газы из метантанка поступают в газгольдер 3, а из газгольдера подаются в топку котла или на другие нужды.

В начале производства культуру метанообразующих бактерий размножают, применяя в качестве посевного материала метановую бражку (примерно 200 м³)от предыдущего производственного сезона. Размножение бактерий до полезного объема метантенка (3600 м³) продолжается 30 сут. После накопления необходимого объема культуры осуществляется непрерывный процесс метанового брожения при постоянном притоке в метантенки барды и одновременном отборе метановой бражки. При метановом брожении выделяются газы, содержащие 60 – 70 % метана. Приток барды в метантенки регулируют таким образом, чтобы образующиеся в первой стадии брожения органические кислоты потреблялись метанообразующими бактериями во второй стадии брожения с образованием главным образом метана и витамина В12, иначе процесс завершается на первой стадии и происходит «закисание» культуры. Для активирования жизнедеятельности бактерий в метантенки добавляют суспензию кормовых дрожжей. Бражка из метантанка поступает в смеситель 7, куда также из сборника 6 поступает соляная кислота. В смесителе бражка доводится до рН 5,5–6,0 и насосом 8 подается в подогреватель 9, где она нагревается до температуры 100 гр. Цельсия и направляется на дегазатор 10. Из дегазатора насосом 11 подается на подогреватель 12,13, где доводится до температуры кипения в первом корпусе выпарной станции.

Первый корпус 14 выпарной установки и подогреватель 13 обогреваются свежим паром, а конденсат из них собирается в сборнике 18.

Конденсат свежего пара направляется в подогреватель 5 для повышения температуры бражки в метантанке, а из него – в котельную.

Вторичный пар первого корпуса ВУ, проходя через ловушку 15, очищается от летучих веществ, подается на обогрев второго корпуса 16, подогревателя 12, а конденсат из них собирается в сборнике 19.

Вторичный пар от второго корпуса, проходя через ловушку 17, также очищается от летучих веществ, затем подается на кипятильники брагоректификационной установки и на подогреватель 9, а из них собирается в сборнике конденсата 20. В этот же сборник подается через конденсатор-отводчик конденсат вторичного пара первого корпуса из сборника 19. Конденсат вторичных паров из сборника 20 насосом 21 подается на подогрев барды в подогреватель 1, а из него на производство.

Упаривание бражки производится на двухкорпусной выпарной установке под давлением с использованием вторичного пара, которая оборудована аппаратами с принудительной циркуляцией и горизонтальными двухходовыми кипятильниками.

В метановой бражке содержится ряд летучих соединений (органические кислоты, аммиак, высшие спирты, индол, скатол и др.). При упаривании в зависимости от температуры и времени значительная часть этих соединений будет содержаться во вторичных парах и конденсатах.

ВПЕРВЫЕ В МИРЕ:

1. В КОНЦЕ 60-Х ГОДОВ В СССР БЫЛИ СОЗДАНЫ ПРОМЫШЛЕННЫЕ ПРОИЗВОДСТВА БИОТОПЛИВ ИЗ БИОМАССЫ (БИОВОДОРОД, БИОМЕТАН, БИОБУТАНОЛ, БИОАЦЕТОН И БИОЭТАНОЛ).), задолго до знаменитого энергетического кризиса 1972-1974-х годов.

2. МЕТАНОВОЕ БРОЖЕНИЕ, ОСУЩЕСТВЛЯЕМОЕ ПРИРОДНЫМ БИОЦЕНОЗОМ, БЫЛО ПРИМЕНЕНО ДЛЯ КРУПНОМАСШТАБНОГО ПРОИЗВОДСТВА ОДНОГО ИЗ СЛОЖНЕЙШЕГО ПО МОЛЕКУЛЯРНОМУ СТРОЕНИЮ НЕБЕЛКОВОЙ ПРИРОДЫ И ВАЖНЕЙШЕМУ ВИТАМИНУ ГРУППЫ В – ВИТАМИНА В-12 МЕТОДОМ НАПРАВЛЕННОГО БИОСИНТЕ-ЗА.

3. СОЗДАНО ВЫСОКОРЕНТАБЕЛЬНОЕ ПОЛНОСТЬЮ БЕЗОТХОДНОЕ ПРОИЗВОДСТВО.

Глава 40. Биологическая природа образования биогаза (биометана)

Получение биогаза – это техническое решение по применению природного процесса биологического образования метана в народном хозяйстве.

На диаграмме (Рис 40-4) представлена разверстка, отражающая динамику качественного и количественного изменения основных физиологических групп бактерий, участвующих в метангенерации ацетоно-бутиловой барды, и изменения рН среды и кинетика образования биогаза. Такое исследование биологического метаногенеза было впервые проведено в мировой практике в Институте биохимии им. А.Н. Баха АН СССР по методу, предложенному известным русским микробиологом чл. – корр. АН СССР С.И. Кузнецовым.

Рис. 40-1. Упрощенная схема трехстадийная анаэробного разложения органических веществ

Рис. 40-2. Упрощенная схема кислотогенной стадии анаэробного процесса

Рис. 40-3. Упрощенная схема метаногенной стадии анаэробного процесса [127]

Установлено, что кислотогенная стадия проходит в два этапа. Первый – непосредственное брожение моносахаров с образованием летучих жирных кислот, углекислого газа и водорода с одновременным снижением рН среды до 5,0 – 5,5. После полной утилизации углеводов наступает второй этап – протеолиз и дезаминирование, сопровождающиеся значительным разложением белковых веществ с одновременным накоплением аммиака и летучих жирных кислот, именно брожение белков было основным источником летучих жирных кислот. Образование аммиака сопровождалось повышением рН среды с 5,0 – 5,5 до 7,0. Таким образом, аммиак, нейтрализующий образующиеся органические кислоты, является одним из важнейших факторов, регулирующих такой параметр метанового брожения, как рН среды. По мере нейтрализации среды начинается активный распад летучих жирных кислот с образованием метана.

Рис. 40-4. Динамика микробиологических процессов, протекающих при созревании метанового биоценоза [2].

1. группа клетчаткоразрушающих бактерий; 2– группу углево-дсбраживающих бактерий; 3– группа аммонифицирующих бактерий; 4-группа сульфатвосствнавливающих бактерий; 5– группа бактерий, образующие метан из: масляной кислоты, 6– пропионовой кислоты, 7-уксусной кислоты, 8-муравьинной кислоты, 9-этилового спирта; 10-рН, 11– газ (стрелкой указано начало непрерывного процесса) Исследование метанового брожения ацетонобутиловой барды показало, что оно четко подразделяется на три стадии: I) брожение моносахаров, 2) протеолиз и дезаминирование, 3) метаногенез.

Впервые было показано, что именно протеолиз является основным продуцентом летучих жирных кислот, а образующийся при этом аммоний азот – основным фактором, определяющим рН среды.

В дальнейших исследованиях с брожением куриного помета было доказано, аммоний не только определяет рН среды, но и оказывает регуляторное действие на синтез метана.

Рис. 40-5. Изменение состава среды под влиянием развития углеводсбраживающих бактерий (верхний график).

Рис. 40-6. Изменение состава среды под влиянием развития аммонифицирующих бактерий (нижний график).

Рис. 40-7. Динамика биосинтеза витамина В-12 и связь с изменением микрофлоры в процессе созревания метанового биоценоза: 1– динамика накопления витамина В-12 в метановой бражке, 2– то же в фугате, 3-углеводсбраживающие бактерии, 4– аммонифицирующие бактерии, 5-метангенерирующие бактерии.

Ранее эмпирически было установлено, что при метановом брожении отношение углерода к азоту в субстрате должно находиться в пределах 10–15: I. При брожении кислот рН среды повышается до 8,0 -

8,5, что является предельным для активного метангенерирования. При более высоких значениях рН активность метангенерании падает. С накоплением в среде больших концентраций аммиака образуется значительный пул летучих жирных кислот, что и удерживает рН среды на уровне 8,0–8,5. Кроме того, аммиак при определенных концентрацииях выступает как ингибитор энергетического обмена метаногенов, существенно снижающий или полностью подавляющий их активность. (Рис. 40–11) Аммиак как источник азотного питания для метаногенов и некоторой сопутствующей микрофлоры, возможно, выполняет наряду с водородом и метаном роль активного регулятора всего процесса. Показано, что повышение концентрации аммиака ингибирует утилизацию молекулярного водорода и ацетата [2].

1

Рис. 40-8. 1-Динамика изменения концентрации летучих жирных кислот (1), углеводов (2), общей кислотности (3), и рН среды (4) при созревании метанового биоценоза.

2

Рис. 40-9. 2-Динамика изменения бактериальных клеток (1), сухих веществ (2), углеводов (3), и аммиачного азота (4) в процессе созревания метанового биоценоза.

Рис. 40–10. Динамика изменения содержания (в %) общего (1), небелкового (2), белкового (3) и аммиачного азота (4), летучих жирных кисло (5) и рН среды (6) при созревании метанового биоценоза.

Таким образом, Аммиачный азот еще один метаболит, играющий важную роль жизни метаногенов:

1. Аммиак, как восстановленная форма азота, является основным источником азота для большинства метаногенов. (некоторые метаногены способны к фиксации молекулярного азота)

2. Аммиак является также основным компонентом этой сложной системы, определяющий оптимальные для развития метаногенов значения рН среды от 7.0 до 8.5.

3. Как автором было установлено в середине 80-х годов, аммиак может играть роль регулятора синтеза метана.(книга 37).

Однако молекулярная природа этого явления не изучена. Этот факт может иметь важное значение при переработке субстратов, содержащих высокие концентрации доноров аммонийной группы, например, при переработке куриного помета.

Приведенные данные – это были первые и, пожалуй, единственные такого рода исследования по изучению сложнейших процессов, происходящих при развитии метаногенного биоценоза.

Они позволили понять, какая группа бактерий ответственна за биосинтез витамина В-12, как можно осуществлять управление этими процессами, как можно осуществлять направленный синтез того или иного метаболита в столь сложной бактериальной системе.

Метаногенное сообщество можно идентифицировать как сложнейшую бактериально-биохимическую систему, в которой разносторонние бактериальные процессы тесно связаны с функционированием свободных и иммобилизованных ферментов, коферментов или их систем.

Рис. 40–11. Влияние различных концентраций ионов аммония: 0.0(1); 9.7(2);19.4(3); 29.1(4); 38.4(5); 48.5(6) – молей – на кинетику образования метана

Благодаря своему составу метаногенные сообщества могут активно развиваться на разнообразных органических соединениях растительного и животного происхождения.

Длительное время полагали, что процесс метангенерации сложных органических веществ протекает в две стадии: кислотогенную, при которой происходит гидролиз субстрата с образованием жирных и других органических кислот, спиртов, аммиака, сульфидов, углекислого газа, водорода, и метаногенную, при которой ранее образованные промежуточные метаболиты конвертируются в метан и углекислый газ.

Современные представления о стадиях метангенерации несколько усложнились [114].

На первой стадия происходит накопление экзогенных ферментов. Продукты этой стадии (моносахара, пептиды, аминокислоты и т. д.) сбраживаются с образованием длинноцепочечных органических кислот, спиртов, которые далее под воздействием ацетогенных бактерий превращаются в уксусную кислоту, водород и углекислый газ. Из кислотогенной фазы были выделены 52 аэробных и факультативно анаэробных, 57 анаэробных бактериальных изолятов, представляющих роды – Klebsiella, Escherichia, Асhromonas, Streptocососсus, Fusabacter, Вacteroides. Описана большая группа бактерий, способных в определенных условиях синтезировать уксусную кислоту из водорода, лекислого газа или метанола [113, 115, 116]. Образовавшиеся в этих условиях уксусная, муравьиная кислоты, метанол, метиламины, водород, углекислота, сероводород, аммиак используются метаногенами для синтеза метана и конструктивного обмена.

Рис. 40–12. Влияние различных концентраций ионов аммония на кинетику суточного образования метана (а), CO₂(б), на время максимального образования метана и CO₂(в) и на максимальные величины синтеза метана(г); а, б– 1–0.0; 2–9.7; 3-19.4; 4-29.1 5-38.8; 6-48.5 ммоль NH₄Cl; 1-СН₄, 2– CO₂.

Метаногены – уникальная группа бактерий, отнесенная по своим необычным физиолого-биохимическим свойствам к архебактериям [117], насчитывает 7 родов и более 45 видов и штаммов [113]. Физиолого-биохимическим особенностям этих бактерий посвящено большое количество работ [113, 118, 119, 120, 121]. Одна из этих особенностей – развитие бактерий при значениях окислительно-восстановительного потенциала среды ниже 300 мВ

Таблица. 40-1

Влияние мелассы, содержащей кобальт, (1) ацетоно-бутиловая барда и (2) мелассная спиртовая барда на биосинтез витамина В-12.

Таблица. 40-2

Влияние селективных субстратов на направленный биосинтез витамина В– 12 при термофильном метановом брожении ацетоно-бутиловой барды.

Метаногены, замыкающие анаэробную бактериальную деструкцию органических веществ, оказывают значительное регулирующее влияние на всю цепь протекающих событий и изменений. Регуляция бывает [116]: электронная, протонная и питательными веществами.

Электронная регуляция осуществляется за счет поглощения образующегося молекулярного водорода, чем снимается репрессия предшествующих процессов.

Протонная – благодаря катаболизму, главным образом уксусной кислоты, что позволяет предотвратить накопление в среде избытка ионов водорода, концентрация которых определяет рН среды.

Регуляция по питательным веществам осуществляется благодаря синтезу метаногенами витамина В12 и других соединений, которые могут быть использованы для метаболизма бактериями предшествующих стадий.

Разносторонние исследования метаногенов позволило обнаружить ряд ранее неизвестных фактов в их взаимоотношении с другими представителями анаэробных биоценозов. Знание и понимание природы механизма регуляторных процессов, протекающих в метаногенном сообществе, имеет важное значение для создания более прогрессивных технологий получения метана. Прежде всего речь идет о существовании сложной связи взаиморегулирования между отдельными группами бактерий. Выше уже указывалось, какое регуляторное значение оказывают сами метаногены, а из представителей кислотогенной фазы – бак-терии-протеолитики, образующие аммиак.

Однако наиболее универсальным регулятором этого сложного сообщества является молекулярный водород. Водород – один из продуктов жизнедеятельности различных физиологических групп бактерий, осуществляющих разложение биологических полимеров и первичных продуктов их распада. В то же время водород потребляется метаногенами, ацетогенами, сульфатредуцирующими бактериями.

Концентрация водорода в метаногенной экосистеме играет важную роль регулировании процессов и изменения состава образующихся промежуточных продуктов [113, 114, 115].

Образование водорода происходит в результате реакции

НАД Н (НАДФ-Н) + Н⁺ -> Н₂ + НАД+ (НАДФ+) G ⁰¹ =+18.0 кДж

Равновесие этой реакции благоприятствует образованию водорода только при очень низком его парциальном давлении (рН₂ = 200 -2000 Па), что имеет место, когда Н₂ эффективно поглощается метаногенами. При низком парциальном давлении водорода в системе поток электронов, образующихся при ферментационных процессах, например гликолизе, направлен на восстановление протонов с образованием Н₂, благодаря чему пировиноградная кислота может расщепляться до уксусной кислоты, CO₂ и Н₂. При повышении парциального давления водорода, например, когда метаногенная система напряжена за счет сокращения времени удерживания или перегрузки системы расщепляющимися органическими веществами, или под влиянием ингибиторов (аммиака и других), поток электронов смещается в сторону образования таких продуктов ферментации, как пропионовая и другие жирные кислоты с длинной цепью, лактата или этанола из пировиноградной кислоты. Таким образом, при эффективном использовании водорода в экосистеме обычно больше образуется уксусной кислоты, CO₂ и Н₂, почти или совсем не образуется этанола или лактата и значительно меньше – пропионовой и масляной кислот [114].

Расщепление этанола происходит при парциальном давлении водорода ниже 15 кПа, масляной и пропионовой кислот – ниже 200 – 9 Па. Парциальное давление водорода регулирует также деятельность ацетогенных бактерий.

Таким образом, при умении определять низкие концентрации водорода в системе можно не только иметь информацию о состоянии системы, но и разработать способы регуляции развития всех систем в благоприятную сторону, например в сторону синтеза метана.

Исследования, проведенные недавно независимо двумя группами авторов, показали, что источником водорода может быть и сам ацетат [122–124]. Был обнаружен еще один путь образования метана из ацетата; не по известной ацетокластической реакции, которую осуществляют представители родов Methanosarcina и Methanithrix, а путем предварительного расщепления ацетата на водород и углекислый газ по неизвестному пока механизму и синтезом из них метана.

Однако метаногены в определенных условиях могут осуществлять регуляцию не только используя определенные субстраты для синтеза метана, но и посредством синтеза молекулы метана. Было экспериментально установлено, что метан в условиях моногазовой фазы блокирует свой собственный синтез, следствием чего является выделение в газовую фазу из среды молекулярного водорода и углекислого газа в соотношениях примерно 4:1 [125]. Природа этого механизма еще неизвестна, но он может проявлять свое действие при образовании в реакторах так «называемых» «корок». Этот механизм может также проявляться при брожении вязкотекущих субстратов, когда значительно снижена диффузия метана и его выделение.

Познание сложнейших взаимосвязанных процессов, протекающих в метаногенных сообществах, и создание оптимальных условий для их развития являются главным и необходимое требование к разработке и реализации технологий получения метана биоконверсией органических веществ.

Все вышесказанное имеет прямое отношение к научно обоснованной оценке технологических параметров, которые определяют оптимальные условия развития метаногенных сообществ, а следовательно, устойчивое получение основного продукта – метана. К таким параметрам прежде всего относятся: механо– и физико-химическая характеристики сырья, время удерживания бродящего субстрата в реакторе, скорость и характер замены сырья в реакторе, нагрузка рабочего объема реактора по органическому веществу, положение бактериальных систем в реакторе (свободное, закрепленное, закрепленно-подвижное), соотношение скоростей расщепления био-полимеров и образования летучих жирных кислот и скорости их конверсии в метан. Эти особенности и определяют, главным образом, разработанные и используемые на практике, а также разрабатываемые вновь технологии производства метана (биогаза). [2].

Глава 41. Причины развития биогазовой промышленности в России

В силу целого ряда обстоятельств: топливно-энергетических, экологических, климатических, экономических, – в России (ранее в СССР) с начала 80-х годов ведущее место в проблеме использования биомассы для целей энергетики, помимо газификации древесины и лигноцеллюлозных материалов, занимали разработка и создание биогазовых технологий и оборудования (соответствующие решения Правительства) по производству биогаза, тепловой и электрической энергии из органических отходов сельскохозяйственного производства и пищевой и легкой промышленности, стоков и твердых бытовых отходов городов.

О результатах развития этой проблемы говорилось достаточно много, поэтому остановимся на главном достижении, позволяющим внедрять эти технологии в любой глубинке России, в любой деревне, хуторе и маленьком городке.

В течение 16-ти лет с 1980 по 2005 гг. сначала Институт биохимии им. А.Н. Баха АН СССР, а затем компания Центр «ЭКОРОС» разработали и создали высокорентабельные биогазовые технологии и оборудование с окупаемостью оборудования за 1–1.5 года независимо от места их эксплуатации и их мощности.

В 2002 году в агрохозяйстве «Красная пойма» Всероссийским Институтом электрофикации сельского хозяйства введена в эксплуатацию биогазовая установка с реактором-метантенком объемом 65 куб. м с усовершенствованной конструкцией повышения качества удобрений.

Производительность: переработка 6.5 тонн отходов КРС в сутки, производство биогаза – 65 куб. м/сутки, удобрений – 6.5 тонн/сутки. Температура процесса – 52–55 °C. [126].

Биогазовые технологии могут эффективно эксплуатироваться в любой климатическом регионе огромной России. Причем, эти технологии стали производить не только газообразное топливо и высокоэффективные органические удобрения, так необходимые современному российскому сельскому хозяйству, но и для ряда фирм стали источником капитала.

Высокая эффективность таких органических удобрений, получивших торговую марку «БИОУД», объясняется биосинтезом при термофильном метановом брожении мощных биологических стимуляторов роста растений класса «АУКСИНЫ» – веществ, синтезирующихся в точке роста любого растения на земном шаре. Работами экологопочвенного Центра «Чашниково» Московского Государственного Университета им. М.В. Ломоносова показано, что эффект удобрений «БИОУД», прежде всего, объясняется действием ауксинов.

Рис. 41-1.Основные этапы деструкции органических веществ до метана.

Последние повышают биологическую активность растения, ускоряя фиксацию углекислого газа, что приводит к увеличению накопления зеленой массы растения и дополнительному запасанию солнечной энергии.

Таким образом, сама природа дает в руки человека инструмент, с одной стороны, для удержания баланса углекислоты на безопасном уровне («парниковый эффект»), с другой – для повышения урожая зеленой массы – источника энергии.

Переработка 1 тонны отходов крупного рогатого скота (85 % влажности) дает до 40 куб. м биогаза, содержащего 55–60 % метана (5.5–6.0 тысяч ккал/нкуб. М (22–24 тысяч кДж/нкуб. м), 40–45 % СО₂, и не содержащего сероводорода в отличии от других биогазовых технологий, биогаз перерабатывается в электрическую энергию (75–80 кВт х час/сутки) или тепловую (220 кВт х час/сутки) энергию и в органические удобрения (до 1 тонны).

1 тонна таких удобрений заменяет до 100–150 тонн исходных отходов. Расход удобрений на 1 гектар в зависимости от выращиваемых культур составляет 1–3 тонны.

1 тонна исходных отходов КРС в Московской области стоит-100 -120 руб.(цены по 2000-му году), а рыночная цена произведенных удобрений по месту производства составляет 4500–5000 рублей. Розничная цена – в сезон 2004 года – 8000-10 000 рублей за 1 тонну.

Россия ежегодно накапливает до 270 млн. тонн (по сухому веществу) органических отходов: 200 млн. т в сельскохозяйственном производстве, 15 млн. т – ТБО. Эти отходы являются прекрасным сырьем для производства биогаза. Потенциальный объем ежегодно производимого биогаза может составить 80 млрд. куб. м, что эквивалентно 62 млн. тонн нефтяного эквивалента на сумму 20 млрд Евро.

Общая потенциальная стоимость производимых объемов биотоплив (син-газ и биогаз) может составить 35 млрд. Евро в год.

Глава 42. Биогазовые технологии и их классификация

ТРИ КРИТЕРИЯ, ОПРЕДНЕЛИВШИЕ СОЗДАНИЕ И РАЗВИТИЕ БИОГАЗОВОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ В РОССИИ (и ранее в СССР):

1. Разработка технологии и создание крупномасштабного производства витамина В-12 и биогаза.

2. Теория С.И. Кузнецова о биологическом происхождении природного газа и его промышленных запасов.

3. Огромная сырьевая база – органические отходы, 300–360 млн. тонн (по.с.в.) ежегодно, их переработка могла бы дать, как минимум, 100 млрд. куб.м. м биогаза или заместить до 75 млрд. куб. м природного газа в год, что эквивалентно 85 млн. ту.т..

Проект был разработан и просчитан в 1972-73 г.г. и воплотился в металл в 1979 г.

Идея проекта сначала был поддержан директором Института биохимии им. А.Н.Баха АН СССР академиком А.И. Опариным и затем руководством СССР.

В 1980 г. Он был включен в программу ГКНТ СССР.

По этой программе в период с 1980 г. по 1990 г. было построено три крупных биогазовых станции:

1. г. Пярну (Эст. ССР), на свинокомплексе на 30 тысяч голов;

2. Совхоз «Огре» Рижского района (Латв. ССР), на свинокомплексе на 5 тысяч голов;

3. Колхоз «Большевик» Нижнегорского района Крымской области, на свинокомплексе на 24 тысячи голов, и Минживмашем СССР совместно с Минсельхозом СССР была разработана и создана биогазовая установка «КОБОС-1» на 1000 голов КРС.

Рис. 41-3. Схема промышленного производства биотоплив в СССР.

Таблица. 41-1

Экономическая эффективность биоэнергетических установок ИБГУ-1 и БИОЭН-1, органических удобрений «БИОУД-1» 1 тонна «БИОУД-1» – 5 тысяч руб. (отпускная цена для оптовых покупателей в сезон 2004 г.) 1 тонна «БИОУД-1» – достаточна для обработки 1 гектара угодий. При повышении урожая даже на 20 %, например, для картофеля сорта «Невский»* это, как минимум, составит 60 ц или 6.0 тонн

Вне проекта, но при поддержке государства была построена опытно-промышленная биоэнергетическая станция на 50 тысяч голов птицы (Глебовское ППО, Октябрьская птицефабрика, Истринский район, Московской области. Проект инженера Т.Я. Андрюхина).

Также вне проекта силами завода Химического машиностроения им. М. Фрунзе в г. Сумы УССР была разработана и создана биогазовая установка «БИОГА-З01» на 3 тысячи голов свиней.

В начале 80-х годов ХХ столетия автором на основании собственных исследований и разработок, а также достижений в этой области других отечественных ученых и специалистов (Т.Я Андрюхин, А.А. Ковалев, М.Е. Бекер, И.В Симененко, А.Г. Пузанков, В.М. Шрамков) была сделана первая попытка классификации технологий и оборудования метангенерации разннобразных органических отходов.

Основные технологии метанового брожения, насчитывающие более 60 типов и подтипов, можно разделить по температурному режиму на два больших раздела: мезофильные процесссы 30–40 °C и термофильные процессы 51–55 °C. В свою очередь, каждый из указанных разделов состоит из двух подразделов:

• жидкофазного брожения (80–99.5 % влажности) и

• твердофазного брожения (10–80 % влажности).

Это разделение основано на физических и механо-химических характеристиках процессов и субстратов. В настоящее время можно говорить о третьем разделе: психрофильном, но его промышленное применение ограничено.

42.1. Основные технологические принципы и особенности классификации технологий метангенерации

42.1.1. Технологические принципы и особенности. Сырье и его особенности

Многообразие видового состава метаногенных экосистем, или консорциумов, позволяет использовать в качестве сырья для получения биогаза-метана все виды биомассы и органических отходов растительного и животного происхождения.

Биомасса и отходы, содержащие более 85 % влаги, относят к жидкому типу сырья, и для его использования применяются технологии жидкофазной метангенерации. Биомасса и отходы с влажностью менее 85 % относят к твердому типу сырья, для конверсии которого в биогаз разрабатываются технологии твердофазной ферментации. В свою очередь, твердая биомасса и отходы далеко не однозначны по своим механохимическим свойствам, они делятся на "влажные" (6086 % влажности) и "сухие" (10–60 % влажности). "Влажная" биомасса может быть, в свою очередь, рассыпчатой или вязкотекучей.

Более 80 – 85 % биомассы и отходов относятся к твердому типу сырья.

Перечисленные особенности биомассы и отходов определяют и развитие соответствующих технологий метангенерации.

Не меньшее влияние на разработку технологий оказывают свойства сырья. Например, жидкое сырье может быть разделено на три вида: 1.полностью растворимые органические вещества, содержание которых колеблется от 0,5 до 12 %; 2. органические вещества в виде твердых частиц (белково-липидные конгломераты), плохо растворимых в воде, с концентрацией от 2 до 10–15 %; 3. Смешанный тип, сочетающий хорошо растворимые органические вещества с твердыми нерастворимыми частицами.

Плохо или хорошо растворимые органические вещества также неоднородны. Одни виды сырья содержат больше, так называемых, "летучих" или легко конвертируемых в биогаз соединений, другие – меньше.

К легко конвертируемым соединениям относятся: моносахара, белки, пептиды, амиинокислоты, органические кислоты, спирты, альдегиды, жиры. Медленно разлагаются полисахариды: клетчатка, гемицеллюлозы. Совсем не расщепляется лигнин. Его конверсия в метан возможна только после предварительной обработки щелочным или кислотным гидролизом.

На технологию метангенерирования оказывает влияние не только количество легко конвертируемых органических соединений в сырье, но и их соотношение. Например, содержание моносахаров не должно превышать 1–2%, а содержание легко конвертируемых азот-органических соединений не должно быть выше 3 г/л по азоту.

Состав сырья влияет не только на особенности технологий, но и на состав биогаза – концентрацию метана в нем. Если сырье полисахаридного или углеводного типа, то концентрация метана составляет 50 – 55 %, при преобладании жиров концентрация метана повышается до 85 %, если преобладают белки, то концентрация метана лежит в пределах 65 – 75 %.

Технология метангенерирования зависит также и от таких характеристик сырья, как рН и окислительно-восстановительный потенциал.

Механохимические характеристики сырья определяют особенности технологий метангенерирования.

И в первую очередь это связано с влиянием механохимических свойств субстратов на скорости конверсии органических веществ в метан.

Основная задача при создании технологий получения метана – обеспечение максимальной скорости процесса при постоянном поддерживании его оптимальных параметров.

Химический состав сырья влияет не только на состав биогаза, но и на его количественное образование в пересчете на единицу массы субстрата.

На скорость конверсии органических веществ в биогаз ингибирующее влияние могут оказать не только аммиак, но и щелочные и тяжелые металлы, антибиотики, смолы и т. д.

Например, концентрация меди не должна превышать 10 мг/л, калия, натрия, кальция 8000 мг/л, магния 3000 мг/л, сульфидов 200 мг/л, нитратов 50 мг/л.

Никель и хром токсичны в концентрациях 200 – 1000 мг/л, цинк 350 – 1000 мг/л.

Медицинские препараты, применяемые в ветеринарии: окситетрациклина гидрохлорид, бензилпенициллин, дигидрострептомицин, сульфадоксин, триметоприн в концентрациях от 20 до 100 мг/л оказывают ингибирующее действие на выход биогаза. Ионофорный антибиотик монензин (2 мг/л), используемый при откорме крупного рогатого скота, также ингибирует образование биогаза [125].

Ингибирующим эффектом при определенных концентрациях обладает олеат.

Таблица. 42-1

Влияние токсичных веществ на анаэробные процессы. [127]

Таким образом, механо-химические свойства сырья, его состав, макро– и микрокомпоненты оказывают существенное влияние не только на скорость процесса, но и на газогенерирующие способности субстратов.

Скорость процесса – основа технологий метангенерирования. Повышение этой скорости – основная задача исследований и разработок.

42.1.2. Влияние температуры ферментации

Развитие метаногенных экосистем может протекать в пределах от 4 до 90 – 100 °C. В практике наиболее широко используются два температурных режима: мезофильный 20 – 37 °C и термофильный 40–55 °C.В последнее время разрабатываются технологии, использующие психрофильный режим метангенерации: 10–20 °C. При термофильных процессах скорость метангенерирования по сравнению с мезофильным режимом повышается в 2–3 раза. А это значит, что можно с большей интенсивностью использовать реакторы, что имеет вполне определенные экономические выгоды.

Таким образом, повышение температуры процесса, изыскание таких метаногенных ассоциаций, которые могли бы развиваться при температурах 70 – 80 °C, – один из кардинальных подходов в решении проблемы повышения скорости процесса..

Но во всех ли случаях целесообразно создавать технологии с использованием высоких температур?

Рис. 42-1. Относительная скорость развития метаногенов в зависимости от температуры ферментации [127].

В интервале между 45 и 50 °C процесс может быть нестабильным или может вовсе прекратиться.

Известно, что метаногенез требует затрат тепловой энергии на осуществление процесса. Чем выше температура, тем выше затраты дополнительного тепла. Поэтому повышение скорости метаногенеза за счет температурного эффекта имеет некоторые негативные стороны.

Следует подчеркнуть, что особенность разработки технологий получения биогаза состоит и в их экономической эффективности, зависящей от конкретных условий региона, хозяйства, города, комбината, комплекса, где планируется размещение биогазовых установок или станций.

В условиях южных районов России, имеющих длительные периоды солнечной радиации, предпочтительнее использовать термофильные процессы, получая необходимую тепловую энергию на поддержание процесса за счет введения в конструкцию системы обогрева реакторов солнечные коллекторы.

Рис. 42-2. Скорость удаления субстрата в анаэробном процессе в зависимости от температуры.

В северных районах в целях экономии топлива предпочтительнее использовать мезофильный режим, проигрывая при этом в скорости, то есть увеличивая время удерживания или увеличивая рабочий объем реакторов. Примером последнего могут служить конструкции биогазовых установок, разработанных фирмой «AB Enbom» (Финляндия), работающих в условиях Лапландии, температурный режим ферментации 33 °C, выход товарного биогаза 70 %. Однако в ряде случаев (коммунальные стоки, стоки животноводческих ферм и птицефабрик, особенно, в России) необходимо в целях обезвреживания использовать термофильный режим. В таких случаях в целях снижения тепловых затрат и для увеличения выхода товарного биогаза процесс метангенерации разделяют на две фазы: кислотогенную и метаногенную. Первую осуществляют при 30 – 35 °C, вторую – при 55 °C.

В таблице 37–17 приведены данные по зависимости времени гибели некоторых патогенных бактерий и яиц гельминтов от температурного режима метангенерации. При термофильном режиме эти организмы погибают за час и менее, тога как при мезофильном режиме – за от 2-х до 35 суток.

Имеются также сведения, что при повышении температуры ферментации снижается концентрация метана в биогазе.

Таблица. 42-2

Влияние температуры на выживаемость некоторых патогенных бактерий и гельминтов [128]

При использовании для получения биогаза чистых отходов или биомассы, очевидно, можно будет использовать комбинированные температурные режимы в зависимости от времени года.

42.1.3. Время удерживания

Этот параметр является очень важным при разработке технологий. Время удерживания субтрата в реакторе – это время разложения субстрата и максимального выделения биогаза.

Однако на практике используют экономически выгодное время удерживания, т. е. экономически выгодное время разложения органических веществ и образование биогаза.

Известно, что технологии получения биогаза делятся на периодические, полупериодические и непрерывные. В случае двух последних важную роль играет такой параметр, как скорость замены субстрата в реакторе. Величина этой скорости определяется делением рабочего объема реактора на время удерживания. Например, рабочий объем реактора 100 м³, время удерживания 10 сут., следовательно, скорость замены составит 10 м³/сут, или 10 %.

Время удерживания обратно пропорционально скорости процесса. Следовательно, чем выше скорость, тем меньше время удерживания, тем меньшего объема нужен реактор, тем экономичнее биогазовая установка.

Но так как скорость процесса определяется целым рядом характеристик, то соответственно время удерживания или скорость замены зависят от: температуры брожения; температуры подаваемого сырья; механохимических (влажность, вязкость) особенностей сырья; концентрации органических веществ; соотношения углерода и азота; концентрации ионов водорода в сырье; окислительно-восстановительного потенциала среды; концентрации растворимых легко конвертируемых органических веществ (углеводов, аминокислот, спиртов и т. д.); степени минерализации сырья; степени перемешивания бродящего субстрата; технологии замены сырья (полупериодическая или непрерывная); направления поступления сырья в реактор; использования эффекта рециркуляции; конструкции реактора.

Время удерживания может варьировать в больших пределах: от нескольких часов до десятков дней. Наиболее распространенное в практике время удерживания для термофильного процесса составляет 5 -10 сут., для мезофильного процесса 15 – 30 сут.

Научная и инженерная мысль не стоит на месте. В настоящее время имеются технологии с более коротким временем удерживания – до нескольких часов.

Одним из примеров сказанному является совершенствование технологии получения препарата витамина В-12 методом термофильного метанового брожения ацетонобутиловой барды.

В промышленном реакторе время удерживания составляло 5 сут, скорость замены 20 %. Тип реактора – с вертикальным замещением снизу вверх (up-flow). Исследования по изучению параметров изменения субстрата по вертикали показали, что основной процесс распада поступающего сырья происходит в нижней конусной части реактора, составляющей четверть рабочего объема. Плотность жидкости в этой части реактора за счет скопления бактериальных конгломератов была выше, чем в верхней, и поступающий субстрат как бы фильтровался через бактериальное "сито" с одновременным разложением.

Эти эффекты были обнаружены в середине 60-х годов. В последние годы такие технологии называют технологией «Леттинги» по фамилии голландского исследователя, впервые описавшего этот эффект в научной литературе в 70-е годы ХХ столетия..

Таким образом, три четверти рабочей емкости реактора фактически выполняли роль буффера, гасящего флуктуацию за счет возможных изменений состава субстрата. При жестком контроле за состоянием субстрата, как показали длительные эксперименты, две трети верхней части реактора оказались нерабочими.

Поэтому можно было либо уменьшить объем реактора, либо повысить скорость замены до 130 % и выше вместо 20 %.

Объем реактора 170 м³, температура ферментации 55 °C, процесс непрерывный. В ходе промышленного эксперимента было также установлено, что при оптимизации поступающего в реактор сырья путем частичного возвращения метановой бражки и введения ее в субстрат, поступающий в реактор (эффект рециркуляции), скорость замены при устойчивом характере процесса удалось повысить до 156 % или сократить время удерживания с 5 сут. до 15 ч.

В серии работ, проведенных в условиях промышленного эксперимента на крупногабаритном реакторе с термофильным метановым брожением ацетоно-бутиловый барды, были впервые внедрены в промышленность следующие технологические принципы: 1) вертикальное вытеснение снизу вверх (up-flow); 2) бактериальное "сито", фильтрующее субстрат (реактор Леттинги); 3) рециркуляция.

Наиболее успешно сокращение времени удерживания осуществляется при использовании низкоконцентрированных легкораетворимых органических субстратов с применениием анаэробных фильтров или иммобилизации метаногенных сообществ на специальных носителях из керамики, полихлорвинила, полиуретана, полипропилена, капрона, кирпича и т. д.

Показано, что полимерные носители окупаются на 70 % за 3 мес. эксплуатации. Время удерживания при очистке концентрированных промышленных сточных вод 24 – 30 ч, выход биогаза 0,5 – 0,7 м³/кг субстрата, содержание метана 50 – 70 %, такие установки окупаются за 2,5 года.

В другой работе был использован полиуретан, загружаемый в реактор колонного типа из расчета 20 кг на м³, выход биогаза 2,0–2,12 м³/м³ в сутки, содержание метана 82 – 92 %, сбраживалась пульпа плодов кофейного дерева.

Однако, как показывает накапливаемый экспериментальный опыт, не во всех случаях процесс экономичен при небольшом времени удерживания.

Рассмотренные примеры и характеристики имеют прямое отношение к обработке жидких субстратов с концентрацией сухих веществ от 0,5 до 12–15 %. Но все существенно меняется, когда метангенерации подвергаются высоко концентрированные вязкотекучие или влажные субстраты. В этих случаях выгоднее увеличить время удерживания, но максимально снизить концентрацию влаги, которая, к сожалению, ставит еще очень много проблем при решении вопросов утилизации жидких отходов.

42.1.4. Скорость загрузки биореактора

Время удерживания тесно связано с таким параметром, как скорость загрузки реактора или скорость поступления органического вещества в единицу времени на единицу рабочего объема реактора. Между скоростью загрузки реактора, временем удерживания и содержанием органических веществ в сырье существует следующая зависимость:

Скорость загрузки зависит от состава сырья и активности метаногенной экосистемы. Этот параметр может быть повышен за счет увеличения концентрации органического вещества при том же времени удерживания либо за счет сокращения времени удерживания без изменения концентрации органического вещества.

Чем больше в сырье легко конвертируемых соединений, тем больше может быть скорость загрузки. Но и здесь имеются свои особенности. При увеличении концентрации таких веществ на единицу объема сырья необходимо для нормального протекания процесса искусственно повышать плотность бактерий либо периодическим подсевом, либо, если органические вещества растворимы, введением иммобилизованных систем. Однако могут быть исключения.

Если концентрация легкоусвояемых соединений настолько высока, что скорость синтеза летучих жирных кислот начинает превышать скорость их распада до метана, то процесс ингибируется. В таком случае надо либо снижать скорость «загрузки» либо увеличивать плотность ацетогенов и метаногенов.

Если скорость загрузки при неизменной концентрации органических веществ увеличивают за счет сокращения времени удерживания, может наступить эффект вымывания клеточной массы, что приведет к неполной сбраживаемости субстрата и снижению выхода газа. Для предотвращения этого используют иммобилизованные системы (реакторы второго поколения).

С повышением скорости загрузки увеличивается выход биогаза на единицу объема 'реактора, но уменьшается на единицу массы сырья, при снижении скорости загрузки уменьшается выход биогаза на объем реактора, но увеличивается на единицу массы субстрата.

Например, при термофильном брожении отходов животноводства и скорости загрузки реактора 2,7 % достигается высокий выход биогаза: 4,5 л/сут. на I л реактора при времени удерживания 3 сут.

Идеальным был бы вариант, при котором с повышением скорости загрузки увеличивалась бы скорость процесса и повышался выход метана и на единицу объема реактора, и на единицу массы поступающего органического сырья.

42.1.5. Перемешивание

Перемешивание – еще один важный фактор, определяющий скорость протекания процесса за счет равномерного и постоянного распределения бактериальных клеток и нерастворимых органических частиц по всему рабочему объему реактора с целью создания максимального контакта клеток с субстратом.

Перемешивание осуществляют с помощью механически мешалок, паровых инжекторов, насосов, продувкой – барбатированием образующимися газами.

Необходимость использования этого технологического принципа также требует определенного научного обоснования. Не во всех случаях перемешивание способствует ускорению или стабилизации процесса. Перемешивание необходимо при использовании субстратов, способных образовывать на разделе жидкой и газовой фаз в реакторе "корок". В ряде случаев перемешивание осуществляют периодически, а, например, при использовании реакторов и технологии типа «Леттинги» перемешивание нарушает процесс. При разработке технологий с использованием перемешивания прежде всего необходимо рассчитать его экономическую эффективность.

Две фирмы "Конструмекс" и "Биотех" (Венгрия) совместно разработали и внедрили в одном из сельскохозяйственных кооперативов под Будапештом технологию твердофазной метангенерации подстилочного навоза фермы крупного рогатого скота с исходной влажностью 75 %. Процесс периодический батарейный. Температура ферментации 55 °C. Время удерживания 28 сут. Влажность бродящего субстрата 80 %.

Рис. 42-3. Двух стадийная метангенерация ацетоно-бутиловой барды (г. Грозный, 1962–1963 г.г.) Таким образом, механохимические особенности сырья, температура ферментации, время удерживания, скорость загрузки и перемешивание – факторы, тесно взаимосвязанные между собой и определяющие основные принципы разрабатываемых технологий и конструкций реакторов для получения биогаза.

Таблица 42-3

Рис 42-4. Схема поступления и активной зоны разложения органических веществ при их поступлении в биореактор-метнтенк по типу UP-FLOW определяющие основные принципы разрабатываемых технологий и конструкций реакторов для получения биогаза.

Таблица 42-4.

Интенсификация метангенерации сложных органических веществ (ацетонобутиловая барда) (42)

Объем реакторов 2400 м³, субстрат в реакторы подается с помощью шнека (рис. 42-7, 42-8). Станция обслуживает ферму на 1200 голов, суточный выход биогаза 1500 м³, в год хозяйство благодаря использованию биогаза экономит до 500 т топочного мазута. Преимущества: отсутствие избыточной жидкой фазы; отсутствие коркообразования.

Эта технология была впервые применена в промышленном масштабе при создании биоэнергетической станции при свинокомплексе на 24 тысячи голов в колхозе «Большевик» Нижнергорского района Крымской области.

На рис. 42–10 представлено схематической изображение (проект) биоэнергетической станции с использованием технологии предварительного разделения на жидкую и твердую фракции с раздельной ферментацией в реакторах с закрепленными бактериальными системами (вертикальные биореакторы) и в реакторе твердофазной ферментацией (горизонтальный биореактор). Проект разрабатывался для птицефабрики в г. Ногинске. Разработчик проекта КБ «САЛЮТ». Биореакторы должны были изготавливаться из контейнеров ракет по государственной программе СССР «конверсия».

В 1992 г. на основании фундаментальных исследований, проведенных в 70—80-е годы в Институте биохимии имени А.Н.Баха АН СССР (17), научно-производственным Центром «Экономии ресурсов окружающей среды» (АО Центр «ЭкоРос») было разработано и совместно с ОАО «Стройтехника» Тульский завод освоено серийное производство опытных партий индивидуальных биогазовых установок для крестьянских хозяйств – «ИБГУ-1».

Рис. 42-5. Индивидуальная биогазовая установка для крестьянского хозяйства – ИБГУ-1

ИБГУ-1 перерабатывает до 200 кг отходов крупного рогатого скота и производит в сутки до 10–12 куб. м биогаза.

При разработке установок ИБГУ-1 ставились следующие цели:

1. получить энергетически эффективные и экономически рентабельные системы;

2. стабилизировать температуру процесса и автоматически ее контролировать;

3. осуществить термофильный процесс ферментации (52–53 °C), так как только сочетание этого физического фактора с биологической природой метангенерации обеспечивает 100 %-ное обезвреживание отходов, при этом скорость процесса метангенерации повышается в 2–3 раза по сравнению с мезофильным процессом (25–30 °C).

Необходимо было при разработке ИБГУ-1 обеспечить:

• надежность и простоту в эксплуатации;

• полную заводскую готовность и условия реализации, соответствующие любой долговременной бытовой технике;

• серийный выпуск на любом машиностроительном заводе, в крупной механической мастерской, имеющей вальцы и сварочные агрегаты;

• эксплуатацию в любой климатической зоне России и других стран;

• быстрый монтаж и вывод на рабочий режим; габариты, удобные для транспортировки любым транспортом.

Эксплуатация ИБГУ-1 в течение последних 14 лет в разных регионах России (Алтайском крае, Кемеровский, Тульской, Московской, Ленинградской, Ярославской, Смоленской, Брянской, Нижегородской областях, республике Чувашия, а также в Казахстане и Белоруссии) подтвердили проектные технические характеристики и установки.

Четыре завода России (ОАО «Стройтехника» Тульский завод, АО «Орловский РМЗ», АО «Юргинский машиностроительный завод», АО «Заволжский АРЗ») выпустили и реализовали 85 комплектов таких установок, в Казахстане три завода выпустили опытные партии ИБГУ-1 в количестве 10 комплектов.

Комплект включает: биореактор-метантенк объемом 2,5 м³ (рабочий объем 2,0 м³), газгольдер «мокрого типа» с полезным объемом 3 м³, подъемник – «ручная таль», ковш-тележку вместимостью 60 кг, лестницу-эстакаду, бак-приемник для удобрений объемом 1 м^3..

В чем конструктивная особенность биореакторов-метантенков установок ИБГУ-1, позволяющих использовать их для термофильных режимов метангенерации в разных регионах России и других стран.

Технология трехстадийной метангенерации. (Рис. 42–67). Процесс непрерывный, время удерживания 3–5 сут. Объемы последовательно расположенных реакторов увеличиваются в соотношении 1:2:4 с повышением температуры в каждом реакторе 40:45:55 °C. В первом реакторе происходит бактериальный гидролиз, во втором – кислотогенный процесс, в третьем – метангенерация. Выход биогаза увеличивается до 500–600 м³ с 1 т навоза (на абсолютно сухое вещество) вместо 200–250 м³/т при использовании обычной технологии. Преимущества: ускорение процесса, снижение металлоемкости и энергозатрат, увеличение газоотдачи, отсутствие коркообразования, полная гарантия экологической чистоты получаемых удобрений.

Рис 42-6. Схема рециркуляции, использованная при термофильной метнгенерации ацетоно-бутиловой барды.

42.1.6. Наиболее распространенные используемые технологические схемы биогазовых устаноавок и систем

Рис. 42-7. Схема 3-х стадийной метангенерации. (Авторы Панцхава Е.С., Карагезян Г.М. время создания 1980–1990 г.г.)

Таблица 42-5

Сравнение результатов термофильной ферментации отходов КРС по классической биогазовой технологии и по технологии 3-х стадийной метангенерации

Рис. 42-5. Технология анаэробных фильтров (влажность стоков более 97 %)

Рис. 42-6. Технология твердофазной меттангенерации (при влажности субстрата более 80 %)

Рис 42-7 (А) и 42-8 (Б)… Венгрия. 1986 г. Биогазовая станция в с/х кооперативе под г. Будапештом по переработке подстилочного навоза от 1200 голов КРС. Батарейная твердофазная метангенерация.

(А – схема, Б – внешний вид)

Рис. 42-9. Венгрия. Твердые органические удобрения после метангенерации подстилочного навоза КРС

Рис. 42–10. Технология с предварительным разделением фракций

Рис 42–11. Модуль биоэнергетической установки для животноводческого комплекса (Разработка КБ «САЛЮТ», проект Метантенки жидкофазной и твердофазной метангенерации из контейнеров ракетной системы «СС-20»).

На рис. 42–12 показана схема-разрез биореактора-метантенка.

Биореактор имеет скошенное дно в сторону шлюза выгрузки во избежание возможности образования мертвых зон брожения и лучшего удаления образующихся осадков при периодической очистке реакторов (1–2 раза в год). В верхней части реактора в стороне, противоположно шлюзу выгрузки, находится люк загрузки. Реактор погружен в металлический резервуар – тепловую рубашку, благодаря которой поддерживается заданная температура ферментации. Тепловая рубашка заполняется либо водой для стран с зимней температурой выше 0 °C, либо отработанным машинным маслом, если температура зимой ниже О °С. Подогрев осуществляется ТЭНами мощностью 2 кВт. Скошенное дно несет еще одну функцию: благодаря такой конструкции хорошо осуществляется конвекция тепловых: потоков, равномерно обогревая биореактор, что особенно важно, так как метаногенные биоценозы (сообщество бактерий), осуществляющие процесс, имеют тенденцию к осаждению. И если на дне температура ниже заданной (52–53 °C), то процесс будет нарушаться, приводя к появлению избыточных кислых продуктов, что фиксируется снижением рН среды (отрицательный логарифм концентрации ионов водорода в среде), и, наконец, к его остановке.

Для предотвращения осаждения бактериальных биоценозов в реакторе также имеется ручная шнековая мешалка на валу которой расположена гребенка, при вращении разрушающая «корку», образующуюся на границе жидкость – газ. «Корка» – механическое образование, продукт газовой флотации твердых частиц, находящихся в сырье и в бродящей массе.

Дня уменьшения теплоотдачи и лишнего расхода электроэнергии на обогрев «тепловая» рубашка покрывается теплоизоляцией, в качестве которой использованы стеклянная вата или полипеноуретан.

Есть еще одна особенность, относящаяся скорее всего к процессу биометангенерации – отсутствие коррозии. Металл (углеродистая сталь) покрывается тонкой черной пленкой, легко снимаемой, под которой обнаруживается металл-сталь, по внешнему виду как бы вышедшей из-под прокатного стана. Точечная коррозия наблюдается в той части биореактора, где расположено газовое пространство, и эту часть необходимо покрывать антикоррозионными лаками [129].

(Большая исследовательская работа по изучению влияния коррозии на материалы, применяемые при изготовлении оборудования для биогазовых установок и станций по рекомендациям по защите этих материалов от коррозии была проведена И.В. Семененко с сотрудниками на комбинате «Химмаш им М. В. Фрунзе» в г. Сумы УССР [130].

Многолетняя (20 лет) эксплуатация таких установок потребовала проведения определенной модернизации биореактора:

1. улучшения теплоизоляции путем применения более плотных теплоизоляционных материалов, например теплоизоляционного покрытия марки «Изовер» (Финляндия). Как показала практика эксплуатации ИБГУ-1 в Кемеровской области и Алтайском крае, лучше всего для этих целей использовать полипеноуретан;

2. уменьшения по высоте объема тепловой рубашки;

3. увеличения зазора между полом и дном биореактора до 400–500 мм и закрытия этого пространства от сквозняков;

4. сокращения длины шлюза выгрузки и размещения в затворе (см. рис, 1) шарового крана, так как образующаяся после брожения масса является жидкой (95–97 % влажности) и таким краном значительно удобнее регулировать ее сброс;

5. размещения датчика терморегулятору внутри биореактора, вместо тепловой рубашки.

Рис. 42–12. Схема-разрез биореактора-метантенка ИБГУ-1.

1– корпус биореактора; 2 – диафрагма; 3 – рукоятка; 4– затвор; 5 – шлюз для выгрузки сброженной массы; 6—корпус тепловой рубашки; 7 – электрический ТЭН; В– герметический затвор; 9 – загрузочный люк; 10 – газовый штуцер; // – гребенка; 12 – вал; 13 – шнек; 14– облицовка теплоизоляции; 15 – теплоизоляция; 16– рукоятка-крестовина мешалки; 17 – крышка биореактора.

Как показала практика применения биореакторов ИБГУ-1 их можно объединять в батареи по два, три и четыре комплекта, что позволяет перейти от ручной загрузки к механизированной подаче готового сырья с помощью насосов непосредственно в реактор иди через бак-распределитель, герметично соединенный шлангами с крышками люков загрузки.

Исходные отходы крупного рогатого скота (КРС), свиней или помет птицы лучше разводить теплой водой при температуре, близкой к температуре ферментации, что можно получить, используя рекуперацию тепла сбрасываемой горячей сброженной массы или удобрений, т. е. бак-приемник удобрений должен быть сделан по типу теплообменника. Для улучшения газообразования и увеличения глубины разложения органических веществ необходимо производить перемешивание бродящей массы 4–6 раз в сутки по 5 – 10) мин. Для сокращения теплопотерь и более удобного обслуживания биореакторов, особенно в ненастную погоду и зимой, рекомендуется их размешать в закрытых помещениях, а в странах с теплым климатом – под навесами для защиты от осадков.

Газгольдеры, используемые для предотвращения попадания атмосферных осадков (дождя и снега), должны размещаться под навесами.

Особенности, образующихся в процессе ферментации продуктов, приведены ниже:

1. биогаз не содержит сероводорода и поэтому не имеет запаха;

2. органические удобрения – жидкие, концентрированные и не имеют патогенной микрофлоры, яиц гельминтов, нитратов и нитритов, семян сорняков, что подтвердила проверка, выполненная санитарно-гигиенической службой России. Удобрения сертифицированы Госстандартом Российской Федерации.

Двадцатилетнее использование этих удобрений в различных регионах России на разных почвах показало их высокую биологическую активность. В частности:

1. они являются универсальными и могут применяться для любых сельскохозяйственных и декоративных культур;

2. обеспечивают минимальное повышение урожайности в 2–2,5 раза, максимальное по отдельным культурам – значительно выше;

3. эффект от их использования проявляется даже визуально уже через неделю после их внесения. Наземная листовая часть растения становится темнозеленой и более пышной, что предполагает повышение плотности хлорофилла и соответственно фотосинтетическую активность зеленой части растения.

Одними из важнейших компонентов, синтезируемых метаногенными бактериальными биоценозами и входящих в состав получаемых органических удобрений, определяющих ускоренное развитие и рост растений и приводящих в итоге к повышению урожая, являются ауксины – вещества, синтезируемые в «точке роста» любого растения [131]. Они были выделены, их физиологические свойства были исследованы, в результате чего была определена их химическая природа – производные фенольных спиртов [132,133].

Таким образом, термофильная анаэробная (без доступа воздуха) бактериальная обработка органических веществ в каждом конкретном случае, приводит не только к получению топлива и энергии, но и к образованию веществ, ускоряющих рост и развитие самой исходной биомассы.

Термофильная биометангенерация органических веществ в конечном итоге (образование и далее сжигание метана) конвертирует их в дополнительные количества СО₂ и одновременно синтезирует вещества, ускоряющие рост зеленой массы растения, поглощающей эти дополнительные количества СО₂.

Можно констатировать, что биометангенерация занимает вполне определенное место в регулировании баланса CO₂ в биосфере и защите Земли от «парникового эффекта».

Благодаря получению высококачественных органических удобрений рынок несколько сместил акценты в приоритетах продуктов биогазовых технологий с энергоэкологических на агрохимические. Именно получаемые в настоящее время удобрения определяют спрос на эти технологии и конкретно на установки ИБГУ -1.

Сроки окупаемости ИБГУ-1 не превышают 0,5 года, что объясняется либо результатом прямой реализации удобрений, либо повышением урожая.

Биогазовые технологии являются комплексными технологиями. В зависимости от социально-экономического положения общества на рынке может доминировать тот или иной продукт. И рассчитывать эффективность этих технологий только по одному продукту-по биогазу, по крайней мере, некорректно.

В настоящее время рынок определил доминирование органических удобрений, биогаз и экология стоят на втором месте и, фактически, для производителя становятся бесплатными, так как все производственные затраты – это стоимость удобрений.

Россия находится в зоне рискованного земледелия и по климатическим условиям, и по характеристике большая часть почв: малоурожайные подзолистые почвы, требующие постоянного внесения органических удобрений. Поэтому в средней и северной частях Европейской России, в земледельческих районах Сибири потребность в органических удобрениях будет постоянной и она будет определяющей в развитии биогазовых технологий. Использование таких технологий и созданного на их основе оборудования позволит в ближайшие годы: полностью решить в сельской местности проблему всех органических отходов, включая коммунальные – стоки и ТБО, обустроить дома сельских жителей современными санитарно гигиеническими системами европейского типа и оказать существенную помощь в решении проблем энергосбережения.

Успешная эксплуатация ИБГУ-1 в разных районах России способствовала переходу к разработке и созданию более совершенных биогазовых установок большей мощности с автономным энергообеспечением.

Автономность этих установок может быть достигнута при условии ежедневной переработки не менее 500 кг отходов с влажностью 85 %.

Такая автономная биогазовая установка, укомплектованная биогазэлектрогенератором и биогазводогрейным котлом, была создана и получила название БИОЭН-1 или «минитеплоэлектростанция на отходах крупного рогатого скота» [134].

В состав БИОЭН-1 входят два биореактора вместимостью 5 м³ каждый с механической мешалкой и механизированной загрузкой сырья. Они перерабатывают в сутки до 1 т исходного сырья с получением до 40 м³ биогаза и до 1 т органических удобрений. Сроки их окупаемости не превышают 0,5 года.

В процессе трехлетней эксплуатации автономного биоэнергетического блок-модуля БИОЭН-1 были проведены исследования и установлено следующее:

1. Биогаз, полученный из отходов КРС, при пастбищном содержании (май-сентябрь) скота содержит 60–63 % метана, 37–40 % СО₂, при стойловом – 50 – 55 % метана, 45 – 50 % СО₂.

2. Сравнительный анализ выхлопных газов, полученных на работающем с номинальной мощностью биогазбензоэлектрогенераторе при сжигании в нем последовательно бензина и биогаза, показал, что при сжигании биогаза содержания СО в 45 раз меньше, углеводородов в 30 раз меньше, оксидов азота в 1,5 раза меньше, чем при сжигании бензина. Таким образом, биогаз можно отнести к наиболее экологически чистым видам топлива органического происхождения.

3. Оптимальный расход биогаза на производство 1 кВт * ч электрической энергии (220 В, 50 Гц) на биогазбензоэлектрогенераторе АБ-4Т/400-М2 (БГ)} составил 0,55—0,6 м³/ч.

4. Удельный расход биогаза на подогрев 1 м³ бродящей массы до температуры 52 °C при добавлении свежего холодного (12–15 °C) сырья и вследствие этого понижения температуры массы до 48 °C составил 0,85 м³, необходимое время – 1 ч, давление биогаза в тазовой линии 2500 Па.

Оптимальная температура нагрева теплоносителя (объем 200 л воды) в агрегате АОГВ-23,2–1 (БГ) достигала 79–81 °C при расходе биогаза 0,12 м³/ч, суточные затраты на поддержание оптимальной температуры ферментации (52–53 °C) составили 28–30 % произведенного газа.

Удельный расход биогаза на обогрев помещения (площадью 25 м²) агрегатом АОГВ-23,2–1 (БГ) от 10 до 22 °C – 0,048 (м³/ч)/м² (строительный материал – бетон, обшитый вагонкой, необходимое время —1,6 ч).

7. Оптимальный расход биогаза при эксплуатации газовой ИК-беспламенной горелки мощностью 5 кВт составил 0,8–1,0 м³/ч.

Определенные достижения имеются в России и в области переработки отходов птицеводства по биогазовым технологиям [78, 79].

Широкое внедрение биогазовых технологий в агропромышленный комплекс окажет существенную помощь в развитии отечественного сельскохозяйственного производства.

Разработка современных, экономически эффективных биогазовых технологий базируется на сочетании следующих основных принципов:

• фундаментальные знания сложнейшего биологического процесса метангенерации органических веществ растительного и животного происхождения, включая достижения микробиологии, биохимии, молекулярной биологии, биотехнологии;

• особенности механического состава используемого сырья;

• конструкторское решение оборудования, направленное на снижение металлоемкости и энергоемкости;

• экономические, экологические и энергетические особенности конкретного региона.

Интеграция указанных принципов позволила разработать серию наиболее перспективных биогазовых технологий, внедрение которых началось в России и некоторых странах СНГ с 1985 г. [135].

Программа реализации биогазовых технологий с учетом потенциальных возможностей России по сырьевой базе – отходам, находящаяся под патронажем Управления топливно-энергетического комплекса Миннауки России и соответствующего Научного совета по "Нетрадиционной энергетике" Миннауки России и Российской академии наук, включала несколько этапов.

Первый этап – разработка основных типов эффективных биогазовых технологий для всех видов имеющихся органических отходов. Этот этап практически завершен. Россия имеет более 10 типов основных технологий и их комбинаций, некоторые из которых представлены ниже.

Рис. 42–13. Схема биотуалета для сельских домов на основе использования метангенерации стоков и ТБО (1– биореактор на 300 л; 2-унитаз; 3-канализационный патрубок; 4– люк с дробилкой для загрузки ТБО; 5– газопровод; 6– электродвигатель для мешалки; 7– фекальный насос; 8-бетонный или кирпичный колодец, примыкающий к дому; 9-лестница для обслуживания биореактора; 10– бункер для хранения жидких удобрений.)

Отсутствие нормальных туалетов европейского типа в значительном большинстве сельских домов чревато большими опасностями для здоровья сельских жителей. Эту проблему можно полностью решить, если для переработки канализационных стоков и ТБО использовать небольшие биореакторы – метантенки для полной переработки этих стоков и отходов в экологически чистые удобрения и биогаз. На семью из 5–6 человек в сутки образуется до 32–35 литров жидких стоков (вместе с дробленными ТБО) с влажностью 90–92 %. Суточный выход биогаза 700–800 литров (3800–4000 ккал), что достаточно для получения 120 литров/ сутки горячей воды при t=45 °C. Суточный выход экологически чистых удобрений составит 30 литров, или в год – 10 куб. м, что достаточно для обработки 10 гектар угодий.

На рис. 42–14 Представлена схема мобильного биогазового блок-модуля, размещаемого на двух полуприцепах. Разработчик и изготовитель компания «Эко-Агти» (г. Королев, Московской области) при консультациях ЗАО Центр «ЭкоРос» (Москва). Рабочий объем 15 куб. м. Ежедневная загрузка сырья – 1.5 куб. м, Выход биогаза – 60 куб. /сутки (360 кВт ч/сутки). Расход электроэнергии-80 кВт ч/сутки. Выигрыш в энергии – в 4.5 раза. Установка эксплуатируется 6 лет в одном из хозяйств Сергиево-Посадского района Московской области.

Рис 42–14. Схема мобильного биогазового блок-модуля.

Определенные достижения имеются в России и в области переработки отходов птицеводства по биогазовым технологиям [136, 137].

Широкое внедрение биогазовых технологий в агропромышленный комплекс окажет существенную помощь в развитии отечественного сельскохозяйственного производства.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МОДУЛЯ БИОЭН-1:

1) Суточное количество перерабатываемых отходов при влажности 85 % – до 1 тонны;

2) Количество вырабатываемого биогаза – до 40 куб. м/сутки.

3) Биогаз не содержит сероводорода;

4) Количество вырабатываемой электрической энергии – до 80 кВт х час/сутки;

5) Количество вырабатываемой тепловой энергии – до 230 кВт х час/сутки;

6) Количество вырабатываемых органических удобрений – до 1 тонны/сутки.

Рис. 42–15. 1992 г. Тульская область. Первая ИБГУ-1 на фермерской усадьбе

Рис. 42–16. Схема минитеплоэлектростанции с механической загрузкой сырья батарейного типа из 4-х комплектов «ИБГУ-1»

Рис. 42–17. Схема автономного блок-модуля минитеплоэлектростанции на отходах животноводства для среднего фермерского хозяйства – «БИОЭН-1»

Собственные потребности в энергии на поддержание термофильного (52–53 гр. С) процесса составляют 30 %. Срок эксплуатации – не менее 10 лет Сроки окупаемости по удобрениям или получаемому дополнительному урожаю – не более 0.5 года.

Рис. 42–18. Автономная минитепло-электростанция + органические удобрения БИОЭН-1

Модуль БИОЭН-1 может собираться в батареи из 2-х, 3-х и 4-х комплектов для обработки отходов: а) от 50, 75, 100 голов КРС, или б) от 500, 750 и 1000 голов свиней, или в) от 5000, 7500 и 10000 голов птицы. Перевозится двумя КАМАЗ’ами с полуприцепами.

Рис. 42–19.Биореакторы 2 кВт Установки «БИОЭН-1»

Рис. 42–20. Биогазэлектрогегнератор Биогаз 40 куб. м/сутки

Рис. 42–21. Биогазтеплогенератор 23 кВт(т) Рис. 42–22. СИСТЕМА ПИТАНИЯ ДВИГАТЕЛЯ БИОГАЗОМ (профессор, докт. тех. наук С.В. ГУСАКОВ, ГУДН)

Установка ИБГУ-1 производит в год 70 т удобрений, что достаточно для обработки 70 га (Почвенно-экологический Центр «Чашниково» МГУ им. Ломоносова)

Рис. 42–23. Опытно-промышленный вариант блок-модуля комбинированной биогаз-ветро-солнечной ТЭС для переработки отходов животноводства в энергию и топливо.

Рис. 42–23. Схема автономного блок-модуля комбинированной биогаз-ветро-солнечной ТЭС

Рис. 42–24. Макет Биоэнергетической станции при свинокомплексе на 24 тысячи голов. Колхоз «Большевик», Нижнегорского района, Крымская область, 1989 г. (ВИЭСХ, ПМК-3)

Рис. 42–25. Общий вид комплекса «БУГ-1» по переработке органических отходов Разработка Вологодской Ассоциацией предприятий БМП.

Рис. 42–26. Вертикальный биореактор-метантенк БУ в совхозе «Красная Пойма» Московской области. [2].

КРУПНЫЕ ФЕРМЕРСКИЕ УСТАНОВКИ – МИНИ-ТЭС; БИЛЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА В С/Х «КРАСНАЯ ПОЙМА»

Разработана и введена в действие новая полномасштабная установка для переработки отходов в биогаз и удобрения от 50 голов КРС в совхозе «Красная Пойма» Московской области. [2]. (Разработка и изготовление ВИЭСХ РАСХН)

Рис. 42–27. Общий вид биогазовой установки компании ГРИНТЕК(Липецкая обл.).

Нижегородская компания «Гринтек» создала автономную биоэнергетическую установку утилизации органических отходов. Установка состоит из 2 биореакторов-метантенков по 50 куб. м каждый; производительность по переработке сырья – 20 куб. м/сутки; производительность по биогазу – 400–600 куб. м/сутки; эквивалентная тепловая мощность 100–150 кВт;

Такая установка перерабатывает отходы птицефабрик, животноводческих и свиноферм, маслобоен и мясоперерабатывающих предприятий, получая удобрение и биогаз.

Рис. 42–28. Китайская Народная Республика. Г. Ухань.

Совместное китайско-российское предприятие по производству биоэнергетического оборудования по документации ЗАО Центр «Эко-Рос», Россия. Биогазовая установка с биореакторами на 2.5 и 5.0 куб. м при свиноферме, пригород г. Ухань.

Рис. 42–29. КИТАЙ. Г. Ухань. Модернизация бензоэлек-трогенератора фирмы «мицубиси» для работы на биогазе

В 1997 г. в г. Ухань (средний Китай) создано совместное китайско-российское предприятие по производству биогазовых установок класса ИБГУ-1 и БИОЭН-1 по документации ЗАО Центр «ЭкоРос».

Рис. 42–30. Запуск биогазэлектро-генератора на базе бензогенератора фирмы «Мицубиси» (г. Ухань, КНР)

Рис 42–31. Схема Биогазовой станции для птичника на 50 тысяч голов (проект Т.Я. Андрюхина) Октябрьская птицефабрика, Истринский район, Московская область.

Рис. 42–32. Схема отопления свинофермы на 200 голов. Топливо – биогаз из отходов. Теплоноситель вода. (Колхоз «Большевик», Нижнегорский район, Крымская область, УССР).

Рис 42–33. Схема Биогазовой установки «КОБОС-1», Разработка и производство Минживмаша и Минсельхоза СССР.

Технические характеристики установки «КОБОС-1»:

1. Производительность по исходному сырью 30 м³/сут.

2. Производительность по биогазу 500 м³/сут.

3. Рабочас температура 40 °C

4. Давление – вакуум

5. Установленная мощность электрооборудования 50 кВт.

6. Количество обслуживающего персонала 1 чел./смена

7. Габаритные размеры площадки для размещения комплекса 30000х50000 мм.

8. Масса комплекса 90000 кг.

Рис 42–34. Схема Биогазовой станции «БИОГАЗ 301» [130].

В 1985 г. в г. Сумы была построена установка БИОГАЗ – 301С для утилизации отходов свинофермы с поголовьем 3000 животных. Установка стабильно работала до 2000 года, пока не была ликвидирована свиноферм

Рис. 42–35. Более наглядное представление о спроектированном биоэнергетическом комплексе по обеззараживанию отходов сельского хозяйства с получением биогаза и высококачественных органических удобрений дает размещение комплекса на местности, выполненное в программе Archi Cad.

Рис. 42–36. Метантенки Курьяновской станции аэрации г. Москвы.

42.2. Классификация технологий метангенерирования

Из всего вышесказанного становится очевидным, что принципы разработки технологий получения биогаза тесно связаны прежде всего и зависят от свойств субстрата и предъявляемых условий ферментации – максимальной скорости при минимальных энергетических и материальных затратах.

Проблемами биогаза интенсивно стали заниматься сравнительно недавно, но уже имеется достаточно обширный материал, позволяющий не только количественно и качественно оценить существующие и разрабатываемые технологии, но и классифицировать их.

Рис. 42–37. Биоэнергетическая станция мощностью 2.4 МВт, Белгородская область, компании «Агро-Белогорье» и «АльтЭнерго».

42.2.1. Классификация реакторов-метантенков

Классификация реакторов была предложена рядом авторов [138, 139]. Она основана, главным образом, на принципиальных особенностях конструктивных решений реакторов-метантенков. Существующие конструкции метантенков подразделяют на шесть типов. Анаэробный контактный реактор с отстойником и рециркуляцией биомассы. Принцип работы – седиментация бактериальных гранул и других суспендированных твердых частиц и контакт поступающего свежего субстрата с образующимся анаэробным активным илом. Минимальное время удерживания при обработке стоков сахарных заводов – 4 ч.

2. Реактор с неподвижным слоем ила и поступлением сырья в реактор снизу вверх, или реактор типа (Upflow Anaerobic Sludge Blanket), и реактор с восходящим слоем – Леттинги [139] (рис. 4в). Работа реактора основана на спонтанном получении бактериальных гранул, образующих плотный слой на дне реактора. Сточные воды, содержащие хорошо растворимые органические вещества, проходят через относительно плотную зону гранулированного ила и затем через менее плотную зону флокулирующего ила. Минимальное время удерживания 4 – 24 ч. Коммерческие системы подобного типа впервые были разработаны в конце 50-х годов в Южной Африке (62). Этот же принцип положен в основу коммерческого процесса СМS [60], широко используемого в сахарной промышленности, и при переработке отходов производства крахмала из картофеля.

Принцип реактора с неподвижным слоем ила использован во второй стадии коммерческого двухфазного процесса фирмы "Anodek" (Бельгия) [61].

3. Анаэробный фильтр, или затопленный фильтр Мак-Карти [39], основан на иммобилизации метаногенных сообществ на неподвижных носителях, через которые пропускаются низкоконцентрированные жидкие стоки. В настоящее время используются три вида анаэробных фильтров: с восходящим потоком и рециркуляцией; с нисходящим потоком и рециркуяцией; с нисходящим потоком без рециркуляции.

4. Реакторы с псевдоожиженным и увеличенным слоем ила. Бактериальные массы иммобилизованы на мелких инертных частицах, которые сильным потоком подающейся в реактор жидкости удерживаются во взвешенном состоянии. Время удерживания один час. Количество производимого биогаза 30 м^э/м³ реактора в сутки.

5. Реактор с неподвижно закрепленной падающей пленкой. Этот реактор сконструирован с учетом недостатков анаэробного фильтра. Носителем для бактерий служит неподвижно закрепленная падающая пленка. Избыток ила и неразложившиеся твердые частицы уносятся с потоком жидкости. Подаваемое, сверху сырье распыляется образующимся газом.

6. Реакторы, в которых используются особенности физиологобиохимических процессов в метаногенных экосистемах. По этой технологи в первом реакторе осуществляют кислотогенный процесс, во втором – метаногенный. Технологические комбинации двухфазных процессов могут быть различными по температуре и по конструктивным решениям реакторов. Двухфазный процесс предпочтительнее использовать при обработке твердых отходов [140].

В отечественной практике научные основы использования двухфазного процесса были разработаны еще в начале 60-х годов [141, 142] и проверены в условиях промышленного эксперимента на реакторах объемом 250 м³ [143].

Двухфазная технология используется для обработки:

1. жидкого навоза свиней; время удерживания 12 сут., выход метана 0,7 м³/м³; с рециркуляцией 1,2 м³/м³, время удерживания при этом сокращается до 8,5 сут., степень разложения 53 %;

2. отходов спиртового производства, во втором реакторе (метаногенном) используется техника псевдоожижения [144];

3. измельченного коровьего навоза при температуре 55 °C [145, 146, 147];

4. отходов сахарного производства при концентрации сахарозы 9 кг/м³ при нагрузке 26 кг/м³ в сутки; с использованием рециркуляции в первой фазе нагрузка увеличилась до 27 кг/м³ в сутки, степень разложения – от 78 до 85%

5. отходов спиртового производства из мелассы сахарного тростника [148];

6. отходов бродильного производства [149];

7. сточных вод крахмального производства, объем реактора 1-й фазы 1000 м³, 2-й фазы – 800 м³, метаногенная стадия, протекающая во втором реакторе, осуществляется бактериальными гранулами, годовая производительность около 700 тыс. м³ биогаза, содержание метана 60–80 %, степень разложения 90 % [159];

8. отходов спиртового производства при температуре 35 °C в первой фазе, 47 °C во второй, выход метана 30 м³/м³ стоков, содержание метана 75 %.

К указанным выше типам реакторов-метантенков и процессов – необходимо добавить наиболее простой тип реактора (классический) – высоконагружаемый полного перемешивания [139].

В последние годы в связи с разработкой технологий по обработке твердых отходов разрабатываются конструкции соответствующих реакторов, например реактор вытеснения рlug-flow.

Приведенная выше классификация технологий метангенерирования по принципу конструктивных особенностей реакторов базируется на процессах непрерывного действия с использованием стоков, содержащих хорошо растворимые органические вещества. Такие технологии правильнее объединить в одну из подгрупп жидкофазной ферментации, при которой используются субстраты с влажностью от 90 до 95 %. Субстраты, содержащие 90 – 80 % влаги, в зависимости от их механоструктурных особенностей могут обрабатываться по технологиям непрерывного действия, полупериодического и периодического действия.

Эти технологические принципы наиболее широко используются при разработке процессов метангенерации отходов животноводства [151]. Здесь могут быть использованы системы двухфазных процессов и процессов батарейного типа.

Существующее в настоящее время разнообразие конструктивных решений при создании реакторов и технологий в значительной степени определено имеющейся широкой информацией о самом процессе, его биотехнологических основах.

Одним из примеров является биореактор, созданный фирмой АО "Enbom" (Финляндия) для конверсии жидких отходов свиноводства в биогаз [152]. Реактор горизонтального типа с перемешивающим устройством имеет четыре секции, расположенные последовательно. Они разделяют процесс на стадии. Постоянная скорость поступления субстрата поддерживает динамическую устойчивость этих фазстадий. Процесс, мезофильный (32–38 °C), время удерживания 14 сут, выход биогаза 0,8 м³ на I кг органического вещества, содержание метана 70 – 75 %.

42.2.2. Основы классификации процессов метангенерирования

К настоящему времени разработано и используется значительное число технологий по получению биогаза… Эти технологии имеют не только определенные, иногда существенные отличия, но ж обще характеристики, позволяющие их объединить, сгруппировать по тем или иным признакам.

Ниже предлагается классификация существующих и разрабатываемых технологий метаногенеза, основанная на сочетании механохимических особенностей перерабатываемых субстратов, температурных режимах, конструкции реакторов, характеристики процессов и т. д. (Рис. 43)

Технологии метанового брожения, насчитывающие более 60 типов и подтипов, можно разделить по температурному режиму на два больших раздела: мезофильные процессы 30–40 °C; термофильные процессы 50–60 °C. В свою очередь, каждый из указанных разделов состоит из двух подразделов: жидкофазного брожения (80–99,5 % влажности) и твердофазного брожения (10–80 % влажности).

Это разделение основано на физических и механохимических характеристиках процесса и субстрата.

Реакторы для жидкофазной ферментации по принципу применяемых конструкций можно разделить на две группы: реакторы 1-го поколения (высоконагружаемые полного смешивания) и реакторы 11 го поколения (с иммобилизованными системами). Некоторые авторы выделяют третью группу, относя сюда реакторы 1-го поколения, работающие по принципу реакторов Леттинги.

Процессы, соответствующие группе реакторов 1-го поколения, можно разделить на три подгруппы: непрерывные процессы; полупериодические процессы и периодические процессы.

Подгруппа периодических процессов наиболее простая и широко используемая. Подгруппа полупериодических процессов более совершенна по техническому решению и занимает промежуточное положение между периодическими и непрерывными процессами. Последняя (наиболее экономична и, соответственно, более перспективна) постоянно развивается и совершенствуется.

В реакторах второго поколения, которые служат для обработки субстратов с влажностью 90 – 95 % и растворимых органических веществ, используются только непрерывные процессы.

Подраздел твердофазного брожения, или ферментации, возник относительно недавно, но его развитие быстро прогрессирует. Связано это с тем, что более 80 – 85 % первичной биомассы или отходов относятся к твердой биомассе.

Этот подраздел можно разделить на две группы: "влажной" твердофазной метангенерации (60 – 80 % влажности) и "сухой" метангенерации (10 – 60 % влажности).

Первую группу по механохимическим свойствам обрабатываемых субстратов можно разделить на две подгруппы: технологии, объединявшие обработку субстратов с пониженной вязкостью 2–3 мПа-с при влажности 75 – 80 %, технологии, объединяющие обработку субстратов» имеющих вязкость 3–5 мПа. с (вязкотекучие гетерогенные и гомогенные) при влажности 60 – 80 %. Эта подгруппа наиболее интенсивно развивается.

Группа "сухой"' метангенерации изучена слабее, И пожалуй, именно здесь следует ожидать в ближайшие годы наиболее выраженный прогресс в разработке новых высокоинтенсивных технологий.

Ожидаемый перенос основных усилий на разработку технологий твердофазной метангенерации связан, прежде всего, с тем, что такие технологии позволят существенно сократить применение воды и соответственно уменьшить объемы обрабатываемых отходов, объемы реакторов, затраты энергии и т. д. Однако это трудная задача, которая уже ставит перед исследователями ряд вопросов научного и технического порядка.

42.2.3. Принципиальные конструктивные схемы метантенков-биореакторов

Прогресс, достигнутый в последние годы в понимании закономерностей процессов анаэробного брожения, а также биохимии и микробиологии метаногенеза, привел к созданию новых, высокоэффективных конструкций анаэробных реакторов (метантенков) и значительному усовершенствованию ранее предложенных конструкций. Используемые ныне реакторы в зависимости от поставленных задач и вида отходов можно разделить на два типа:

Метантенки для обработки концентрированных отходов, как правило, сельскохозяйственных (навоз, остатки растениеводства и т. п.) с концентрацией по органическому веществу (ОВ) 2–8% и значительным количеством трудноконвертируемых примесей (целлюлоза, лигнин и др.).

Метантенки для обработки разбавленных жидких отходов пищевой, микробиологической и других отраслей промышленности, достигающие высокой степени очистки этих отходов (до 95 %) при небольших временах удерживания.

Метантенки первого типа в основном используются в сельском хозяйстве, где большее значение имеют начальные капитальные вложения и нет необходимости в достижении высокой степени конверсии ОВ этих отходов, так как они после анаэробной конверсии могут применяться в виде обеззараженных высококачественных удобрений. Как правило, эти реакторы работают в мезофильном режиме, а получаемый газ не очищается от примесей и используется для бытовых нужд или как топливо для газогенераторов. При этом степень конверсии не превышает 35–40 % по ОВ и выход биогаза составляет 0,3–1,3 м³/м³ реактора в сутки со временем удерживания от 10 до 30 суток.

Метантенки второго типа характеризуются более высокими капитальными и текущими расходами, но увеличивающийся при этом выход биогаза (до 4–5 м³/м³ реактора в сутки) и повышение эффективности конверсии ОВ отходов до 90–95 % при небольших временах удерживания позволяет решать при помощи этих реакторов как энергетические, так и экологические проблемы

Кроме того, эффективными являются двух стадийные реакторы. В них на первой стадии процесса накапливаются летучие жирные кислоты, а на второй стадии идет собственно метаногенный процесс. Вызывает интерес и так называемый трехстадийный процесс, когда на первых двух стадиях идет анаэробная обработка отходов, а на третьей стадии частично очищенные стоки подвергаются аэробной биоконверсии. Затем биомасса аэробных микроорганизмов вновь подается в анаэробные реакторы в качестве субстрата.

42.3. Реакторы I типа

42.3.1. Традиционные метантенки

Эти реакторы применяются для анаэробной конверсии сельскохозяйственных отходов, в основном навоза. Подобного типа реакторы начали применяться еще в период первой мировой войны во Франции и Германии. Затем интерес к ним упал. Вновь вспомнили об этих реакторах в 1950-70-ые годы, когда поставленное на промышленную основу животноводство начало давать огромные количества отходов. Такой реактор, как правило, состоит из герметичной емкости, заполненной обрабатываемыми отходами. Подача субстрата и отбор обработанного стока в большинстве случаев осуществляется в нижней части реактора. Режим работы реактора может быть как периодическим, так и полунепрерывным. Зачастую реактор разделен на две и более секций, т. е. происходит частичное разделение стадий процесса. Подача субстрата осуществляется в первую секцию, а отбор обработанного стока идет из последней секции реактора. Схематическое изображение такого типа реактора приведено на Рис. 42-104.

Основным недостатком такого типа реакторов является низкая эффективность. Как мы уже отмечали, степень конверсии ОВ отходов не превышает 40 %, а выход биогаза 0,3 – 1,3 м³/м³ реактора в сутки. Причем даже столь невысокая степень конверсии требует длительного выдерживания отходов в реакторе (не менее 10 суток).

Это объясняется активным вымыванием биомассы медленно растущей метаногенной микрофлоры, от концентрации которой зависит как эффективность конверсии, так и время выдерживания отходов в реакторе.

Реакторы такого типа нашли широкое применение и в развивающихся, и в развитых странах (ФРГ, Франция, Швеция, Финляндия и др.).

Ниже приведены основные конструктивные схемы установок с учетом их достоинств и недостатков, которые используются в различных странах мира.

Установки для анаэробного сбраживания навоза можно подразделить на четыре основных типа:

Отсутствует подвод тепла и перемешивание сбраживаемого навоза.

Отсутствует подвод тепла, но осуществляется перемешивание сбраживаемого навоза.

Осуществляется подвод тепла и перемешивание сбраживаемого навоза.

Осуществляется предварительная подготовка навоза для сбраживания, подвод тепла, перемешивание, имеются средства контроля и управления процессом анаэробного сбраживания навоза.

Рис. 42-138. Схематическое изображение метантенков традиционного типа: а – с перемешиванием; б – двухсекционный с частичным разделением стадий.

Подвод тепла осуществляется:

• перегретым паром при давлении 0,8–5 кг/см², который подается в сбраживаемый навоз;

• горячей водой, циркулирующей в змеевиках или водяной рубашке;

• электронагревательными элементами, расположенными в водяной рубашке или по наружной поверхности реактора.

Перемешивание осуществляется:

• механическими мешалками различной формы или погружными насосами с приводом от электродвигателя;

• гидравлическими насадками за счет энергии струи перекачиваемого насосом сбраживаемого навоза или рециркуляции;

• избыточным давлением биогаза, пропускаемого через барботер или трубку, расположенные в нижней части реактора.

Предварительная подготовка навоза перед подачей его на анаэробное сбраживание осуществляется:

• измельчением;

• нагревом навоза до заданной температуры сбраживания;

• аэробным или анаэробным выдерживанием;

• стабилизацией исходного навоза по содержанию органического вещества.

Применяется автоматическое управление и контроль следующих параметров процесса сбраживания:

• температуры;

• рН среды;

• уровня навоза в реакторе;

• содержание органического вещества в реакторе;

• давления газовой фазы;

• дозированной загрузки и выгрузки реактора;

• выхода биогаза.

Основными недостатками данных установок являются низкая скорость распада органического вещества, отсутствие возможности промышленной реализации технологического процесса.

За рубежом в существующих установках реализуются, в основном, мезофильный процесс при 30–35 °C. В России в соответствии требованиями санитарно-ветеринарного контроля отходы животноводства и птицеводства перерабатываются при термофильном режиме 52–55 °C.

Отсутствие необходимого оборудования и соответствующей системы автоматизации технологического процесса в традиционных метантенках приводит к плохой управляемости анаэробного брожения и обуславливает невысокий выход биогаза: 0,3–1,3 м³/м^З метантенка в сутки. При этом экспозиция сбраживания все еще составляет 10–20 суток, что неоправданно увеличивает объемы метантенков и капитальные затраты на их строительство.

Китайские специалисты Ло, Ченом и Лиао [153] усовершенствовали реакторы первого типа… В 1986 г. они сконструировали так называемый анаэробный контактный дисковый реактор, в котором присутствуют элементы реакторов второго типа с фиксированной биомассой. Активная биомасса в дисковом реакторе прикреплена к носителю, в качестве которого использованы акриловые пластиковые диски, зафиксированные на некотором расстоянии друг от друга внутри реактора. Таким образом, концентрация активной биомассы в таком реакторе значительно выше, чем в традиционном метантенке и, следовательно, выше его эффективность. Для того, чтобы обеспечить более полный контакт прикрепленной биомассы с необработанными отходами, в реакторе укреплена мешалка, каждая лопасть которой находится между дисками. Необработанные отходы подаются в верхнюю часть реактора, а отбор осуществляется в нижней части, В нижней части дисков сделано отверстие, что так-же препятствует образованию мертвой зоны в нижней части реактора (Рис. 42–39).

При помощи такого реактора можно обрабатывать отходы с концентрацией по ОВ до 3 %. При этом эффективность конверсии достигает 50 %, а выход биогаза 3 м³/м³ реактора в сутки. Важным преимуществом такого реактора является также и то, что время выдерживания отходов, благодаря высокой концентрации активной биомассы, сокращается до 1–5 суток.

Рис. 42–39. Анаэробный контактный дисковый реактор [154]: а – реактор в разрезе; б – вид сбоку.

Рис. 42–40 Классификация технологий метангенерирования.

42.3.2. Реакторы II типа

Реакторы второго типа можно в свою очередь разделить на два подтипа:

• реакторы без фиксации биомассы;

• реакторы с прикрепленной (фиксированной) биомассой.

В реакторах без фиксации биомассы ее высокая концентрация поддерживается либо за счет возврата биомассы, либо за счет введения в реактор специальных, осаждающих биомассу, ловушек. Тот же эффект достигается в реакторах с фиксированной биомассой. В этом случае в метантенк добавляются какие-либо легкооседающие наполнители (песок, пластиковые, шарики, кольца и т. д.), служащие подложкой для прикрепления активной биомассы и, таким образом, предотвращающие ее вымывание. Именно концентрация активной биомассы в реакторе и является важнейшим параметром, влияющим на скорость и эффективность процесса конверсии. Чем выше концентрация биомассы, тем больше скорость процесса и глубина конверсии отходов.

Рис. 42–41 Классификация технологий твердофазной метангенерации.

Однако, метаногенные микроорганизмы имеют очень большие времена удвоения, нередко достигающие 30–80 суток, это создает дополнительные трудности для получения высокой концентрации анаэробной биомассы в реакторах.

Систематическое изучение анаэробных метантенков, удерживающих биомассу, началось в пятидесятых годах прошлого века, когда был разработан первый метантенк, удерживающий биомассу – анаэробный контактный реактор [155]. Дальнейшее развитие технологии анаэробного брожения привело к созданию реактора, получившего название анаэробный фильтр. В конце семидесятых годов XX века были предложены другие типы метантенков, удерживающих биомассу. Это анаэробный реактор с гранулированным слоем активной биомассы, реактор с псевдоожиженным слоем, реактор со слоем прикрепленной биомассы и др.

42.3.3. Реакторы без фиксации биомассы (Системы со взвешенным илом)

42.3.3.1. Анаэробный контактный реактор

Принцип действия этого реактора заключается в том, что взвешенные частицы необработанных отходов, вступая в контакт с активной анаэробной биомассой, подвергаются биодеструкции, конечным продуктом которой является биогаз. Удерживание биомассы достигается при помощи седиментационного резервуара, в котором выходящая из реактора жидкость отстаивается, а осевшая биомасса вновь подается в метантенки (Рис. 37-100).

Рабочие характеристики реактора зависят от эффективности, с которой оседают микроорганизмы и взвешенные частицы. Дополнительным фактором, оказывающим влияние на рабочие характеристики контактного реактора является степень перемешивания активного ила и необработанных отходов.

Хорошее перемешивание гораздо сильнее влияет на эффективность процесса, чем седиментационные характеристики отходов.

Такой реактор в основном приспособлен для утилизации отходов, содержащих небольшое количество трудноконвертируемых частиц, которые либо сами легко оседают, либо образуют легкооседающие агрегаты. Время удерживание этих частиц в реакторе больше, чем гидравлическое время удерживания и, следовательно, глубина их конверсии повышается [156].

Анаэробный контактный реактор плохо приспособлен для обработки высококонцентрированных отходов, так как такие отходы приходится выдерживать длительное время, что снижает эффективность процесса.

Основным ограничением применения контактных процессов является труднодостигаемое адекватное перемешивание к крупномасштабных реакторах, а также крайне неравномерное оседание частиц необработанных отходов, которое зависит как от характеристики отходов, так и от скорости загрузки. В некоторых случаях положительное влияние на скорость процесса оказывает декомпрессия (пониженное давление). Если эффективность седиментации микроорганизмов достигает 80 %, то необходимое гидравлическое время удерживания составляет не менее, чем 1/5 времени удвоения клеток, что обычно составляет 10 дней и более. Если же эффективность седиментации меньше, чем 80 %, то минимальное гидравлическое время удерживания увеличивается.

На сегодняшний день промышленные анаэробные контактные реакторы применяются во многих странах, включая США, Швецию, Францию и Канаду. Они в основном используются при обработке легкодиспергируемых отходов, таких как крахмал.

42.3.3.2. Анаэробный реактор со слоем активной гранулированной биомассы (UASB-реактор)

Исследуя процессы, протекающие в метантенках, Леттинга с сотрудниками [111] обнаружил, что микроорганизмы, входящие в состав метаногенных консорциумов, способны при росте образовывать агрегаты. Это плотные легкооседающие гранулы размером 1–3 мм. В 1980 г. Леттинга, используя обнаруженный им эффект, предложил новую конструкцию метантенка, названного анаэробным реактором со слоем гранулированной биомассы, или UASB-реактор. Реактор этого типа примерно на треть заполнен гранулированной биомассой, а отходы подаются снизу вверх. Для предотвращения вымывания гранул биомассы в верхней части реактора установлена ловушка, служащая одновременно газосборником (Рис. 10).

В результате в UASB-реакторе поддерживается постоянная высокая концентрация активной биомассы, что позволяет с высокой эффективностью обрабатывать достаточно концентрированные растворимые отходы. Время удержания при этом колеблется от нескольких часов до нескольких суток, а степень конверсии достигает 95 %.

Основным недостатком UASB-реактора является длительная и сложная процедура его запуска. Именно во время запуска происходит образование гранулированной биомассы, причем этот процесс может длиться до полугода и более [157]. Кроме того, гранулированная биомасса образуется только на некоторых видах отходов, богатых углеводами и летучими жирными кислотами. Отходы, бедные этими соединениями, или плохо образуют гранулы, или не образуют их совсем. Избежать этого можно, вводя при запуске значительное количество гранулированной биомассы (10–30 % по объему) из хорошо работающего UASB-реактора. Однако при переходе реактора с одного вида отходов на другой характеристики процесса зачастую ухудшаются.

Рис. 42–42. Анаэробный контактный реактор

42.3.3.3. Реакторы с фиксированной биомассой (Анаэробная очистка на фильтрах)

В последнее время также используются несколько типов метантенков, в которых активная биомасса находится в прикрепленном состоянии. В реактор при этом добавляются инертные носители и микроорганизмы растут, адсорбируясь на поверхности этих носителей. Это физическое прикрепление предотвращает вымывание биомассы и приводит к ее высокой концентрации, что позволяет таким метантенкам работать более эффективно с жидкими отходами, чем метантенкам с неприкрепленной оседающей биомассой.

42.3.3.3.1. Анаэробный фильтр

Анаэробный фильтр – это реактор, весь объем которого заполнен каким-либо твердым носителем. Это один из первых метантенков с фиксированной биомассой, который был предложен в 1967 г. Янгом и Маккарти [158]. Носитель, помимо выполнения функции подложки, к которой прикрепляется биомасса, также облегчает отделение газа (Рис. 49). Следует отметить, что микроорганизмы прикрепляются к поверхности носителя в виде небольших агрегатов [159]. Наиболее активная часть биомассы накапливается в нижней части реактора [160, 161] и степень прикрепления биомассы очень сильно зависит от природы и поверхности носителя.

Несмотря на указанные выше недостатки, высокая эффективность UASB-реактора по обработке растворимых отходов привела к его широкому применению в Нидерландах, Бельгии, США и на Кубе.

Рис. 42–43. Реактор со слоем гранулированной биомассы (UASB – реактор)

Процесс хорошо приспособлен для переработки растворимой органики. При использовании концентрированных отходов, часть обработанного стока можно использовать для разбавления исходного сырья. С помощью анаэробного фильтра можно также обрабатывать отходы, состоящие из легкоконвертируемых субстратов. Ряд авторов сообщает, что этот метантенк может быть с успехом применен для очистки сточных вод [162, 163].

Основным недостатком анаэробного фильтра является то, что основная часть биомассы скапливается в нижней части реактора. Это приводит к возникновению каналов в слое биомассы, через которые необработанные отходы "проскакивают" основной слой биомассы и эффективность реактора резко падает. Кроме того, рост биомассы иногда приводит к полному забиванию нижней части реактора.

Рис. 42–44. Анаэробный фильтр

Указанные недостатки, несмотря на большое количество исследований данного процесса, ограничивают его широкое применение.

42.3.3.3.2. Метантенк с фиксированным на носителе слоем биомассы

Этот реактор представляет собой усовершенствованную конструкцию анаэробного фильтра. Причем существует несколько вариантов модификации, целью которых является устранение забивания реактора. Одной из модификаций является гак называемый реактор с фиксированной пленкой. В качестве подложки биомассы служит пленка, натянутая вдоль всего объема реактора. Пленки натянуты либо параллельно друг другу, либо по спирали (Рис. 42–45). Подача необработанных отходов может осуществляться как снизу вверх, так и сверху вниз, тогда как в анаэробном фильтре подача может осуществляться только снизу вверх [164, 165]

Такие метантенки достаточно легко приспособить для обработки различных отходов, содержащих небольшое количество взвешенных примесей. Эффективность их работы зависит от времени, в течение которого отходы находятся в контакте с активной биомассой. Эти метантенки могут работать в широком интервале температур [166,167].

Рис. 42–45. Реактор с фиксированным на носителе слоем биомассы: а – пленка-носитель, закрепленная параллельно; б – пленка-носитель, закрепленная по спирали (вид сверху)

Рис 42–46. Реактор с псевдоожиженным слоем.

Как уже отмечалось, эффективность метантенков ограничена концентрацией активной биомассы, удерживаемой в реакторе. Но для метантенков с фиксированной биомассой ее концентрация зависит от площади поверхности носителя, к которому прикрепляется биомасса.

Эта площадь для рассматриваемых реакторов ограничена значением 100 м²/м³ реактора, так как необходимо некоторое расстояние между пленками, для предотвращения их забивания [168]. Другим недостатком этих реакторов является то, что можно обрабатывать только разбавленные отходы.

При использовании таких отходов нагрузка по ОВ небольшая и гидравлическое время может быть достаточно коротким.

Такого рода реакторы в промышленном масштабе применяются в Пуэрто-Рико и Канаде.

42.3.3.3.3. Реакторы с псевдоожиженным слоем

Из всех разработанных конструкций мантантанков, использующих фиксированную биомассу, наиболее удачной является конструкция реактора с псевдоожиженным слоем. В качестве подложки, к которой прикрепляется биомасса, используется мелкий песок, окись алюминия и другие носители. Отходы подаются снизу вверх с высокой скоростью. Это позволяет поддерживать оседающую прикрепленную биомассу во взвешенном состоянии, увеличивая таким образом время контакта между активной биомассой и необработанными отходами (Рис. 42-112). Кроме того, создается равномерное распределение по объему реактора (взвешенная биомасса занимает 10–30 % объема) [169 – 173].

При помощи таких реакторов лучше всего обрабатывать растворимые или мелкодисперсные отходы. Для поддержания высокой скорости подачи отходов используется часть обработанного стока. Хотя в реакторах с псевдоожиженным слоем концентрация активной биомассы несколько ниже, чем в реакторах со слоем фиксированной на носителе пленкой биомассы, действуют они гораздо эффективнее. Это объясняется тем, что площадь поверхности носителя, к которой может прикрепляться биомасса, т. е. отношение площади носителя к объему, гораздо больше для реакторов с псевдоожиженным слоем [178]. Ряд исследователей так-же сообщает, что лишь при толщине пленки анаэробной биомассы 0,3–1,0 мм не возникает диффузионных затруднений для субстрата[179]. Именно в таком интервале и наблюдаются размеры биопленки для реакторов с псевдоожиженным слоем [180, 181]. Для реакторов со слоем фиксированной на носителе пленкой биомассы толщина пленки достигает 5 мм [182]. Следует также отметить, что в метантенках с псевдоожиженным слоем практически отсутствуют мертвые зоны, в которых не происходит активного перемешивания.

Капитальные затраты при строительстве таких реакторов достаточно высоки, но ряд указанных выше достоинств привел к их широкому промышленному применению.

42.3.3.3.4. Новые решения в конструкциях анаэробных метантенков

Были предложены некоторые простые, но важные изменения в конструкции реакторов со слоем фиксированной биомассы. Неоднократно проводились исследования с целью уменьшения на 50–75 % количества добавляемого в анаэробный фильтр носителя, сочетая при этом достоинства анаэробного фильтра и реактора со слоем гранулированной биомассы [183 – 185]. В результате была предложена конструкция, удовлетворяющая этим требованиям (Рис. 42–47). Она исключает проблемы распределения подаваемой жидкости, возникающие в анаэробном фильтре, одновременно предотвращая вымывание активной биомассы. Важным достоинством этой конструкции является существенное понижение капитальных затрат при ее строительстве. Количество добавляемого носителя значительно уменьшено, а стоимость его, как известно, вносит большой вклад в капитальные вложения.

Рис. 42–47. Реактор с фильтрующим слоем.

Такая конструкция реактора была использована при строительстве трех крупных установок в Канаде [186], похожая конструкция метантенка применяется в Финляндии [187] и Бельгии.

Голландская фирма «Джист-брокадс» предложила двухстадийную систему с псевдоожиженным слоем [188, 189]. При ее использовании снижается потребление энергии, используемой для рецикла стоков, и уменьшается количество добавляемого носителя [190] по сравнению с используемыми метантенками с псевдоожиженным слоем. Интересно то, что в верхнюю часть реактора включена ловушка, служащая одновременно газосборником. При ее – активные решения UASB-реактора [191].

Область применения высокоскоростной анаэробной очистки отходов, судя по потоку работ в этой области, может вскоре значительно расшириться. Многообещающие результаты получены для обработки высокотоксичных жидких стоков, где в качестве носителя биомассы используются адсорбенты, например, активированный уголь [192, 193]. В последнее время также появились публикации о том, что реакторы с псевдоожиженным слоем эффективно работают в термофильном режиме. Нагрузка по ОВ при этом может достигать значения 150 кг ХПК/м*сут. [194].

Почему так важны биогазовые технологии именно в сельском хозяйстве? Общие ресурсы сельскохозяйственных отходов в Европе в 3 – 4 раза превышают ресурсы древесного топлива и отходов, а также городского мусора. Именно в сельском хозяйстве на различные технологические нужды расходуется огромное количество топлива, а кроме того непрерывно растет потребность в высококачественных удобрениях. Здесь мы наблюдаем постоянный поток отходов со стоками животноводческих ферм, скотобоен, а также большого объема растительных отходов. Можно достичь высокой экономичности, поскольку нет нужды в предварительном сборе отходов, в организации и управлении их подачей; при этом известно, сколько и когда будет получено отходов. Получение биогаза, возможное в установках самых разных масштабов, особенно эффективно на агропромышленных комплексах, где существует возможность полного экологического цикла.

Наблюдая опыт Китая, мы видим, что отдаленные сельские местности целесообразно газифицировать с помощью малых биоустановок, работающих на органических отходах семейных подворий. Так, внедрение 2 млн. установок в России позволило бы получить около 2 млрд. м³ биогаза в год, что эквивалентно 13 млрд. кВт/ч энергии, и обеспечило бы семейные усадьбы органическим удобрением в количестве 10 млн. тонн в год.

Глава 43. Метантенки промышленные

Метантенками называют резервуары обычно цилиндрической или прямоугольной формы, в которых происходит сбраживание осадка, поступающего из первичных и вторичных отстойников. Получающийся в результате брожения осадка газ собирается в газовом колпаке, расположенном в верхней части газонепроницаемого перекрытия, откуда по газопроводу отводится для использования. Сооружают метантенки из железобетона, они имеют коническое днище и обычно неподвижное перекрытие последнее может быть и подвижным плавающим.

Для ускорения процесса брожения осадок подогревают и перемешивают. Подогрев ила производят обычно путем ввода в иловую камеру перегретого пара или при помощи змеевиков, по которым циркулирует горячая вода.

Перемешивают сырой осадок с общей массой созревшего при помощи насосов или инжекторов, забирающих ил из нижней части камеры и подающих его в верхнюю часть гидроэлеваторами совместно с насосами, либо при помощи специальных мешалок.

Ускорить процесс перегнивания осадка можно путем регулирования температуры изменения суточной дозы загрузки свежего осадка и тщательного перемешивания его с перегнившим илом.

Свежий осадок из отстойника подается в метантенк сверху, сброженный ил удаляется из нижней его части по трубе на иловые площадки для подсушки, так как он имеет влажность до 97 %.

Различают два процесса брожения: мезофильное, происходящее при температуре 33°, и термофильное, при температуре 53°.

При термофильном брожении с увеличением температуры в метантенках создаются условия для ускорения распада органических веществ, в результате чего требуется меньший объем сооружений, так как сокращается срок нахождения осадка в них.

По конструкции метантенки подразделяют на два основных типа: с жестким незатопляемым перекрытием и с плавающим перекрытием. Проф. С. М. Шифрин на основании проведенных им исследований рекомендует для строительства метантенки с плавающим перекрытием, имеющем ряд преимуществ перед метантенками с жестким перекрытием. На крупных очистных станциях для сбора и хранения образующегося в метантенках газа устраивают газгольдеры. Этот газ можно использовать в качестве топлива в котельных установках.

Расчет объема метантенков ведут, исходя из заданной интенсивности сбраживания органической части осадка. Суточную дозу загрузки метантенков принимают в пределах б—8 % от их полезного объема при мезофильном брожении и 12–15 % при термофильном.

Объем метантенков определяют по так называемой суточной дозе загрузки осадка Р по формуле, где 0,8 – количество ила, осажденного в отстойниках, на 1 человека в сутки, л; N – число людей, пользующихся канализацией.

Кроме определения объема метантенка необходим расчет вспомогательных устройств: приспособлений для перемешивания осадка и подогрева ила, газового хозяйства и пр.

Органическое вещество осадка состоит главным образом из протеинов (аминокислот), углеводов и жиров.

В метантенке на 1 м³ осадка получается 12–16 м³ газа: 70 % метана и 30 % углекислого газа.

Метантенки с плавающим перекрытием.

К числу достоинств метантенков с плавающим перекрытием (рис. 42–48) относится их взрывобезопасность, возможность регулирования загрузки и выгрузки осадка по положению плавающего перекрытия по высоте. Однако применение их ограничено, так как вследствие большого зеркала бродящей массы создаются благоприятные условия для образования корки. Кроме того, при низкой температуре воздуха затрудняется движение плавающего перекрытия по направляющим роликам из-за их обмерзания.

Наибольшее распространение в отечественной практике получили метантенки с неподвижными перекрытиями (рис. 43-2, 43-3).

На рис. 43-2 представлен метантенк диаметром 24 м и общей высотой 19,6 м. Полезный объем метантенка 5200 м³, перекрытие полусферическое. В верхней части перекрытия метантенка расположена горловина диаметром 4 м и высотой 2,5 м. Поверхность бродящей массы всегда находится выше основания горловины, вследствие чего площадь свободного зеркала в метантенках значительно сокращается. При уменьшении этой площади увеличивается интенсивность газовыделения на единицу площади, что способствует разбиванию корки. При этом площадь горловины резервуара назначается исходя из нагрузки по объему выходящего газа – 700—1200 м³/м² в сутки.

Для сбора газа на горловине метантенка установлены газовые колпаки высотой 3,8 м. Давление газа в них составляет 3–3,5 кПа.

Отечественный опыт показывает, что отношение диаметра метантенка к его глубине должно находиться в пределах 1: 1–1:0,8.

Рис. 43-1. Метантенк с плавающим перекрытием

Метантенк с неподвижным незатопленным перекрытием [195].

Газо– и теплоизоляцию бетонного перекрытия метантенков выполняют из четырехпяти слоев перхлорвиниловой массы, уложенной по бетону и покрытой цементной стяжкой. Далее уложен слой шлака толщиной 50 см, также покрытый цементной стяжкой, а сверху – трехслойной рулонной кровлей.

С точки зрения режима подачи осадков наиболее рациональной является эксплуатация метантенков по прямоточной схеме, при которой загрузка и выгрузка осадка происходит одновременно и непрерывно.

Наибольшее распространение в отечественной практике получили метантенки с неподвижными перекрытиями (рис. 38-106-38-107).

Рис. 43-2. Метантенк с неподвижным незатопленным перекрытием 1 – гидроэлеватор; 2 – выпуск ила.

Такой режим создает благоприятные температурные условия в метан, так как исключается охлаждение бродящей массы от залповых поступлений более холодного сырого осадка и обеспечивает равномерное газовыделение в течение суток.

Осадок подается через дозирующую камеру в верхнюю зону метантенка и выгружается из конусной части днища. Максимальное удаление друг от друга трубопроводов загрузки и выгрузки предотвращает попадание несброженного осадка в выгружаемую массу.

В конструкции метантенков Курьяновской станции аэрации (см. рис. 43-3) предусмотрены трубопроводы, расположенные на разных отметках по высоте метантенка. Первоначально эти трубопроводы предназначались для удаления иловой воды и выгрузки сброженного осадка с разных уровней. Однако при высоких дозах загрузки, характерных для метантенков Курьяновской станции, расслоения осадка в них не происходит и иловая вода не отделяется. Кроме того, вместе с осадком из первичных отстойников в метантенк попадает часть песка, не задержанного песколовками. Тяжелые минеральные части песка осаждаются на дно и при выгрузке с разных отметок постепенно накапливаются в метантенке, уменьшая полезный объем сооружения. Поэтому в настоящее время эти трубопроводы используются в основном для отбора проб с разных уровней и замера температуры по разрезу метантенка.

Рис. 43-3. Метантенк Курьяновской станции аэрации.

1 – мягкая кровля; 2 – кирпич; 3-шлак; 4 – смотровой люк; 5 – труба для выпуска газа в атмосферу, 6 – газопровод, d=200 мм, от газового колпака; 7-газовые колпаки; 8-пропеллерная мешалка; 9 – переливная труба; 10- трубопровод, D=250 мм, для загрузки сырого осадка и активного ила; 11 – трубопроводы, 220 мм, для удаления иловой воды и выгрузки сброженного осадка с разных горизонтов, 12- паровой инжектор, d=300 мм, для подогрева метантенков; 13 – трубопровод, D=250 мм, для выгрузки сброженного осадка из конусной части метантенка; 14 – термометр сопротивления; 15 – трубопровод, d=250 мм, для опорожнения метантенка (в футляре).

Метантенки больших размеров получают все более широкое применение. Так, объем каждого резервуара метантенков на очистной станции Могден (Англия) равен 3800 м³, в Буффало (США) -5660 м³, в Детройте (США) -8500 м³.

Крупноразмерные метантенки построены и на Ново-Курьяновской станции аэрации (рис. 43-3).

Осадок в метантенке подогревается, как уже говорилось, различными способами. Подогрев горячей водой и острым паром, циркулирующим в трубчатых теплообменниках, малоэффективен и применяется только для метантенков небольших размеров.

В зарубежной практике получили распространение спиральные теплообменники, обладающие большим коэффициентом теплопередачи, чем обычные трубчатые теплообменники. Указанный способ у нас не испытан

Повсеместное применение в СССР получил способ подогрева осадка острым паром. Пар низкого давления с температурой 100–112 °C подается во всасывающую трубу насоса при поступлении и перемешивании осадка или непосредственно в метантенк с помощью эжектирующих устройств; пар может подаваться также в дозирующий приемный колодец.

Пар, смешиваясь с осадком, конденсируется и нагревает его. Наиболее распространена подча пара пароструйным инжектором. Инжектор – для обеспечения равномерного подогрева всего осадка и перемешивания вновь поступившей его порции со сброженной частью применяют искусственное перемешивание с помощью циркуляционных насосов, насоса с гидроэлеватором или пропеллерными мешалками. Осадок целесообразно перемешивать в течение 2–5 ч в сутки.

Рис. 43-4. Разрез метантенка.

1 – мостик обслуживания; 2– свеча; 3-газовый колпак, 4-металлическая стремянка; 5-напорный трубопровод инжектора, 6 – помещение инжектора, 7 – трубопровод выпуска сброженного осадка (от пяты), В – трубопровод опорожнения (в кожухе); 9 – газопровод, 10 – помещение распределительных камер; 11 – таль, 12 – трубопровод для подачи сырого осадка; 13 – всасывающий трубопровод инжектора, 14-трубопровод для выпуска сброженного осадка (от дна); 15 – помещение.

Подраздел второй

Глава 44. Экспресс-технология переработки ТБО методом рециркуляционно-твердофазной термофильной метангенерацией

Городские твердые отходы – ТБО – важный источник энергии. Ежегодно в мире накапливается от 2-х до 2.5 млрд. тонн ТБО по городам.

1 тонна ТБО, содержащая 60–65 % органического вещества, эквивалентна 0.625 т у.т. (2х10¹⁰ Дж).

Общее содержание энергии в мировом объеме ТБО может составлять 4–5 х 10¹⁸ Дж.

Ежегодное мировое потребление энергии составляет 3.9 х 10²⁰дж.

Переработка ТБО по энерготехнологиям может дать в год до 1 % энергии от уровня мирового потребления.

ТБО – «АИЛЛЕСОВА ПЯТА» всех городов мира, ТБО – это экологическая бомба замедленного действия:

СОСТАВ ТБО:

1. Бумага 23 %;

2. Стекло 11 %;

3. Металл 4 %;

4. Пластик 6 %;

5. Органические остатки 41 %;

6. Разнородные органические остатки 15 %.

Существует несколько технологий переработки и обезвреживания ТБО:

1. Мусорные полигоны и естественное разложение в течение многих десятилетий. Период полураспада ТБО в таких условиях составляет 30–60 лет.

2. Мусоросжигательные заводы и ГАЗИФИКАЦИЯ.

3. Мусоросортировочные заводы.

4. Биометрическая обработка с получением тепловой энергии и удобрений (АКТИВНОЕ КОМПОСТИРОВАНИЕ).

5. Биогазификация в закрытых емкостях..

В СОВРЕМЕННОМ МИРЕ НА ОБРАБОТКУ В МУСОРНЫХ ОТВАЛАХ ПРИХОДИТСЯ ДО 90 % ТБО.

Любой город, не имеющий современных технологий переработки и обезвреживания ТБО, ежегодно вынужден занимать новые земельные площади: либо сельскохозяйственные угодья, либо парковые зоны.

Общий объем твердых бытовых отходов (ТБО) в городах и поселках России составляет порядка 150 млн. м³(30 млн. т) в год. [196].

Но в Государственном докладе «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2011 году» содержатся сведения по состоянию на 1 января 2012 г. По данным регионов России общий объем образованных твердых бытовых отходов (ТБО) в ЦФО -17,1 млн т. В России за отчетный период образовалось 52,9 млн т ТБО (чуть более 1 % от общего объема образовавшихся в России отходов) или 265 млн. куб. м/год. Общий объем отходов производства и потребления составил в Центральном федеральном округе 208,514 млн т.[197].

Норматив накопления твердых бытовых отходов на одного жителя г. Москвы в объеме 1,31 м³ (262 кг) в год.

Население г. Москвы на 2012 г. 11.5 млн. человек.

Москва также центр Московской городской агломерации, крупнейшей городской агломерации в России и Европе с численностью постоянного населения около 15 миллионов человек. [198].

Альтернативные оценки

По оценкам разных источников, по состоянию на 2011 год в Москве могут проживать до 20 млн жителей. Данная оценка опиралась на объёмы потребления продовольствия в городе.

Существуют оценки, основывающиеся на данных о количестве используемых SIM-карт, с учётом людей, пользующихся несколькими SIM-картами; согласно таким оценкам население Москвы может достигать 15 млн человек.

С другой стороны, ряд независимых демографов, основываясь на данных о смертности и продолжительности жизни в Москве, высказывает мнение, что официальные данные о населении города, напротив, преувеличены примерно на 1,3–2 млн человек..[198].

Ежегодное накопление ТБО по Московской городской агломерации может составлять по разным оценкам от 19.65 млн. куб. м – 26.2 млн. куб. м/год или от 3.93 млн. т/год – 5.2 млн. т/год.

По постановлению Правительства Москвы от апреля 2008 года, количество отходов, подлежащих захоронению на полигонах, должно составить к 2015 году 27–37 %. Уровень переработки ТБО в ближайшие

5 лет должен достичь показателя в 2.85 млн. тонн (в 2.85 раз превысит показатель 2009 года).[199].

В США ежегодно производится около 230 млн тонн ТБО (в среднем 760 кг на человека), около 30 % перерабатывается, а также производится компост, 15 % сжигается, 55 % захоранивается. Состав ТБО: бумага и картон – 37 %, пищевые отходы – 24 %, пластмассы – 11 %, стекло – 5 %, металлы – 8 %, текстиль и другое – 15 %. [200].

В ближайшие годы Москву ждет ежегодный выброс ТБО в масштабе 10 млн. тонн или до 40 млн. куб. м. То есть ежегодно Москва должна отбирать у области до 1000 га при высоте бурта 4 метра.

Средние подмосковные колхозы и совхозы в годы СССР имели 5–6 тысяч га, то есть, за 6–7 лет под мусором будет исчезать целое сельскохозяйственное производство.

На конец 2013 г. значительная часть Подмосковья в радиусе 2-й бетонки активно застраивается коттеджными поселками и мест, практически, для мусорных полигонов не остается.

Ситуация более, чем критическая. Более того, мусорные свалки – это неприятные запахи, ядовитые газы (метан, сероводород и др.) инфекции, эпизоотии, отравленные грунтовые воды.

ЕСТЬ НЕСКОЛЬКО ПУТЕЙ РЕШЕНИЯ ЭТОЙ ПРОБЛЕМЫ.

В основе их лежит предварительная сортировка ТБО на специальных сортировочных заводах, как это делается в ряде Европейских городов, а также в г. Санкт-Петербурге и г. Минске, с выделением черных и цветных металлов, стекла, ПВХ пленки, дерева, пластмасс и органических остатков, содержание которых доходит до 60–65 % от всей массы ТБО. Именно они и представляют наибольшую опасность. (Рис. 39-110)

Далее могут быть применены следующие технологии переработки и обезвреживания:

1. Сжигание в газогенераторах с получением горючих газов (тепловой и электрической энергии) и шлама, как строительного материала (для дорожного покрытия).(Рис. 44-1)

2. Биотермирование (активное компостирование) – получение тепловой энергии и твердых органических удобрений

3. БИОГАЗИФИКАЦИЯ:

3.1. Пассивная в земляных картах.(Рис. 44-2,44-3,44-4,44-5).

3.2. Активная – РЕЦТРКУЛЯЦИОННО-ТВЕРДОФАЗНАЯ ТЕРМОФИЛЬНАЯ МЕТАНГЕНЕРАЦИЯ (KNOW HOW ЗАО ЦЕНТР «ЭКОРОС»).

Проблемы современной экологии ставят вполне конкретную задачу: создать стациионарные, непрерывно действующие, безотходные, высокорентабельные, с коротким сроком циклом переработки заводы.

Узким местом является переработка органической составляющей ТБО (несколько десятков лет).

Необходимо было создать технологию по переработке органической части с циклом не более 25–30 суток.

Рис. 44-1. Схема газификации ТБО (Германия).

1. бункер мусора 2. Кран полдачи сырья 3. решетка 4. паровой котел 5. обработка шлак 6. электростатический осадитель 7. фильтр пыли и остатка от воздуходувного обработанного газа 8. очистка воздуходувного газа 9. водная обработка 10. труба 11. подогрев воздуходувного газа.

Рис. 44-2. Карты, готовые к захоронению ТБО.

Рис. 44-3. Технология создания картов (Италия).

ТБО В ГАЗООБРАЗНОЕ ТОПЛИВО И УДОБРЕНИЯ БЫЛА СОЗДАНА ЗАО ЦЕНТР «ЭКОРОС»

Фундаментальные основы такой технологии были разработаны

Е.С. Панцхава в 80-х годах в Институте биохимии имени А.Н. Баха АН СССР.

Технологическая система включает два биореактора-метантенка: реактор для твердофазной метангенерации (влажность бродящей массы 75–80 %) и реактор для жидкофазной метангенерации (влажность 97–98 %). Жидкая фаза насосами постоянно прокачивается через реактор с твердой фазой, что создает высокую скорость разложения органических веществ в термофильных стабильных условиях.(Рис. 39-115)

Рис. 44-4. Эскиз ТБО-свалочного строительства [258].

Рис. 44-5. Схема захоронения ТБО и получения биогаза (США,)[201]

Результаты одного из таких пилотных экспериментов приведены в табл. 39–24 и 39–25.

Объемы пилотных метантенков – по 110 л, температура ферментации равна 55 °C, образцы ТБО были взяты из мусорных контейнеров одного из жилых массивов Москвы. Металл и стекло не удалялись, и крупные куски бумаги предварительно измельчали.

Рис. 44-6. Схематическое изображение производства лендфилл газа.[202]

Рис. 44-7. Завод Прометей СГ по производству СПГ на свалке Бауэрмана.(США) [203]

Рис. 44-8. Электростанция на Лендфилл-газе в Калифорнии, США.[259].

ТАКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ – ЭКСПРЕСС-ТЕХНОЛОГИЯ С КОРОТКИМ ЦИКЛОМ ПЕРЕРАБОТКИ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

Для более убедительного доказательства устойчивости процессов ферментации при использовании такой технологии органическая составляющая этих отходов была дополнена легкоразлагаемыми органическими пищевыми отходами, включая измельченные пакеты из-под молока и сливок.

Количество и состав газов, а также другие параметры процесса анализировались по известным методиками (83). Рециркуляция жидкой фазы проводилась с скоростью, чтобы общий Рабочий объем в первом реакторе (ТБО + инокулят) оставался без изменения.

Как показывают данные таблицы, в процессе термофильной рециркуляционно-твердофазной обработки 2,5 кг ТБО за 33 сут. выделилось 584 л биогаза, содержащего до 68 % метана, причем во втором реакторе среднее содержание метана в процессе ферментации составило 85,5 % (причина этого явления пока неизвестна), значение рН – одного из основных параметров, отражающих условия протекания процесса, – поддерживалось на оптимальном для данного процесса уровне 7,25-8,25. В то же время в контрольном варианте, где процесс проходил по одному из методов классической метангенерации, он остановился на пятые сутки, из-за накопления кислых продуктов, ингибирующих развитие метаногенных бактерий, что подтверждалось снижением рН среды до 4,37, конечное значение рН составило 4,65.

Таблица 44-1

Исходные данные и результаты пилотного эксперимента по деструкции органической составляющей ТБО по технологии рециркуляционно-твердофазной термофильной метангенерации.

Выход биогаза не превышал 44,6 л или 4,8 % количества биогаза, образовавшегося в опытном варианте. Содержание метана-10,3, СО₂-76,5, водорода-13,2 %. Все это свидетельствовало о доминировании кислотогенной стадии процесса в контрольном варианте, где конверсия по органическому веществу составила всего 16 %.

Выход биогаза на 1 кг обработанных ТБО составил 374, метана -253 л, на 1 т – соответствен-но 374 и 253 м³. Выход органических удобрений (шлама) по сухому веществу достиг 0,41 кг или 16,4 %, а при влажности 80 % – 2,1 кг.

За три недели ферментации (21 сут.) выход биогаза составил 882 л или 94 % общего объема образовавшегося биогаза, метана – 585 л или 92,6 %.

Степень разложения органических веществ ТБО, оцененная по образовавшемуся биогазу, за 21 сут. равнялась 68 %, тогда как за 33 сут-71 %, т. е. обработку ТБО по предлагаемой технологии можно вести в течение 15–20 сут. Таким образом, рециркуляционно-твердофазная термофильная обработка ТБО создает стабильные условия для поддержания оптимальных значений некоторых параметров физикохимической и биологической природы, что обусловливает высокую скорость процесса разложения органической составляющей ТБО с образованием значительного количества биогаза с высоким содержанием метана. Включения иной природы (металлы, стекло, резина и т. д.) не сдерживают этот процесс.

На основании проведенных исследований предложена технологическая схема рециркуляционно-твердофазной термофильной метангенерации ТБО, представленная на рис. 44-9.

Таблица 44-2

Результаты пилотного эксперимента по количеству и составу образовавшихся газов.

Твердые бытовые отходы размельчаются и шнековым транспортером подаются в биореактор-метантенк с твердофазной ферментацией. После загрузки ТБО первый реактор инокулируется, т. е. заполняется жидкой фракцией, содержащей метаногенный биоценоз, и общая влажность субстрата доводится до 80 %, но не более. Далее масса субстрат подогревается до 52–53 °C и эта температура поддерживается автоматически с помощью либо тепловых рубашек, расположенных вокруг реактора, либо внутренних теплообменников.

Рис. 44-9. Схема экспресс-технологии переработки ТБО ЗАО ЦЕНТР «ЭКОРОС»

1 – биореактор-метантенк для твердофазной метангенерации; 2 – биореактор-метантенк для жидкофазной метангенерации; 3 – ТБО, влажность 30–40 %; 4 – измельчитель ТБО; 5 – бункер измельчены ТБО; б – шнековый транспортер; 7 – зона активного разложения ТБО; 8 – кислый фильтрат, 9 – обработанный шлам (удобрения, влажность 80 %); 10 – насос; 11 – трубопровод-кислой жидкой фракции (фильтрата); 12 – иммобилизованный метаногенный биоценоз в биореакторе 2; 13 – бражка (рН = 8,0–8,5); 14 – линия подачи метановой бражки в реактор 1 (самотеком); 15 – биогазовая линия.

Продуктивность по биогазу – 300–350 куб. м/т.

Производительность по удобрениям – до 0.8 т/т (при W=80 %).

Преимущества: ускорение процесса, отсутствие избыточной воды.

Сроки обработки ТБО 15–20 суток вместо 30 лет.

Объем разлагаемой массы – 90 %.

Возможны любые варианты при соблюдении лишь двух условий – рентабельности и технологичности процесса. Через сутки после инокуляции начинают процесс рециркуляции (можно периодически каждые 4–5 ч, можно непрерывно) жидкой фракцией из второго биореактора (жидкофазная метангенерация). Слабощелочная метановая бражка, содержащая активную бактериальную массу, подается самотеком в верхнюю часть первого реактора, где создается активная зона, в которой легкоразлагаемые органические вещества конвертируются в кислые продукты, частично нейтрализуемые метановой бражкой и ей же выводимые из активной зоны в нижнюю, не работающую часть реактора. Оттуда эти кислые продукты насосом перекачиваются во второй реактор, где и происходит их конечное разложение с образованием биогаза и нейтральных или слабощелочных продуктов, которые вновь подаются в первый биореактор.

Рециркуляция позволяет постоянно поддерживать в активной зоне первого реактора: высокую плотность бактерий и нейтральное значение рН, оптимальное для активного развития метаногенного биоценоза и для стабильного протекания процесса.

Установка, работающая по такой технологии, может быть связана со станциями аэрации по очистке городских и коммунальных стоков, где роль жидкофазных реакторов будут выполнять действующие метантенки.

Таблица 44-23

Пример экономической эффективности экспресс-биотехнологии по обработке ТБО для города с населением 20 тысяч человек (Голицино-2 Московской области).(Расчеты по данным 1991–1993 гг.).

По конструкции твердофазные биореакторы-метантенки могут быть вертикальными и горизонтальными. Их высота будет определяться фильтрующейся способностью самой обрабатываемой массы, которая будет зависеть от плотности последней и создаваемого ею давления. Установка, работающая по такой технологии в сочетании с заводами-сепараторами, позволит создать комплексные, экологически чистые, практически безотходные, рентабельные предприятия по переработке ТБО в любом климатическом поясе, в любом городе и поселке с получением черных и цветных металлов, строительных материалов, газообразного топлива, электрической и тепловой энергии, удобрений без необходимости отчуждения полезных земель.

Наибольшее распространение такая технология может получить в небольших городах или поселках, где сведено к минимуму попадание промышленных отходов, содержащих, как правило, тяжелые металлы в количествах, превышающих предельно допустимую норму, и где полученный после переработки шлам можно использовать как органические удобрения, которые существенно повышают рентабельность таких комплексных заводов.

Для небольшого города с населением 20 тыс. чел. выход ТБО составляет 14–17 т/сут или 5–6 тыс. т/год.

Их переработка может дать 1,75—2,1 млн. м³ биогаза в год и до 4–4,8 тыс. т/год органических удобрений при влажности 80 %.

По городу Москве такие предприятия дадут следующие показатели:

1. Биогаз – 1 млрд. куб. м/год

2. Или электроэнергия – 2 млрд. кВт х час/год

3. Или тепловая энергия – 6 млрд. кВт х час/год

5.5 Ркал/год

22.0 РДж/год (1 Р = 1015)

4. Бумага – до 600 тысяч тонн/год

5. Стекло – до 90 тысяч тонн/гол

6. Металл – до 120 тысяч тонн/год

7. Пластик – до 130 тысяч тонн/год

8. Удобрения – до 700 тысяч тонн/год (при условии, что содержание тяжелых металлов не превышает ПДК) стоимостью 3.5 млрд. руб.

Объем капиталовложений на строительство станции по предлагаемой технологии (без завода – сепаратора) составит около 30 млн. рублей (или 1 млн. долл. США). Стоимость годового объема произведенных удобрений может составить 60 млн. рублей, т. е. такая станция может окупиться за 1–1,5 года, при этом получаемое топливо будет бесплатным (расчет стоимости удобрений производился по рыночной стоимости органических удобрений, получаемых по технологии метангенерации отходов животноводства в Московской области).

Экономика России будет расти (другого быть не может) в ближайшие годы и это приведет к резкому увеличению использования традиционных органических источников топлива даже при активном внедрении технологий энергосбережения, что не может отрицательно не сказаться на балансе СО₂ в атмосфере и внесет свою определенную лепту в увеличение «парникового эффекта» на Земле.

С подъемом экономики и повышением роли рынка в регулировании экономических связей и оценке экономических основ любого производства, где энергетика является важнейшей составляющей, экономическое значение нетрадиционной энергетики, в том числе и биомассы, будет возрастать.

Научнообоснованное техническое применение процессов метангенерации органических веществ биомассы как одной из составных частей глобального природного цикла СО₂ позволит аккумулировать часть солнечной энергии, рассеиваемой в мировое пространство благодаря естественным процессам разложения биомассы, в том числе и на территории России.

Практический опыт использования биогазовых технологий в разных регионах России показал, что это не только один из инструментов получения технического топлива из биомассы, но и реальный путь к увеличению прироста самой биомассы при применении получаемых с помощью этих технологий удобрений, содержащих природные высокоактивные ростстимуляторы растений класса ауксинов, и тем самым к дополнительной утилизации образующихся избыточных количеств углекислоты в атмосфере.

Твердые бытовые отходы – этот постоянный бич всех городов мира – при использовании новейших биогазовых технологий смогут не только полностью перерабатываться за короткие сроки без ущерба для окружающей среды и агрокомплекса, но и стать хорошим сырьем для получения строительных материалов, топлива, энергии и удобрений.

Россия не будет исключением (опыт стран, создавших рыночную экономику) в части использования биомассы, (разнообразные органические отходы сельскохозяйственного производства и ТБО), и она может быть применена для получения топлива и энергии, особенно в местах, удаленных от централизованного энергоснабжения, а также высококачественных органических удобрений, несущих в себе огромный потенциал прироста исходной первичной биомассы.

Прошедшие годы и определенные достижения России в этой области энергоснабжения еще раз подтвердили правильность предложений, высказанных академиком Н.Н. Семеновым почти 40 лет назад.

Подраздел третий

Глава 45. Современная биогазовая промышленность в мире

Рис. 45-1. Типовая биогазовая станция [204].

Биогаз является хорошим источником сырья для получения биометана, который, в свою очередь, также используется в сжатом или сжиженном виде как моторное топливо. Биометан может использоваться для производства «син-газа», который является сырьем для каталитического синтеза жидких углеводородных моторных топлив.

Лидером по промышленному производству биогаза среди развитых стран является ЕС.

Первое место по количеству действующих в Европе биогазовых заводов принадлежит Германии – в 2010 году более 9 000. Только 7 % производимого данными предприятиями биогаза поступает в газопроводы, остальное – используется для собственных нужд производителя.

С точки зрения масштабов применения биогаза относительно общего энергобаланса страны лидирует Дания: данный вид топлива обеспечивает почти 20 % энергопотребления страны. Среди других европейских стран с высокими темпами развития рынка биогаза стоит выделить Великобританию, Швецию, Норвегию, Италию, Францию, Испанию, Польшу и Украину.

В США действует всего около 200 биогазовых заводов, работающих на сельскохзяйственных отходах. В США высокий уровень утилизации биогаза мусорных полигонов – около 50 %, биогаза сточных вод – около 10 %. [2005].

Лидером по использованию биогаза среди развивающихся стран является Китай, где на постоянной основе работает более 50 млн. крестьянских биогазовых установок, производящих в год до 36.5 млрд. куб. м биогаза, что эквивалентно 26 млн. т у.т., и несколько десятков тысяч более крупных промышленных установок, размещенных на мусорных полигонах и канализационных станциях. Весь выработанный газ расходуется производителями. В каждом уезде созданы сервисные компании, специализированные магазины по продаже запасных частей. В Китае создан и активно функционирует единственный в мире Институт биогаза в г. Ченду провинции Сычуань. При сохранении текущих темпов роста биогазовой индустрии (а это практически ежегодное удвоение рынка), Китай по объемам производства биогаза выйдет в мировые лидеры уже к 2020 г.

Рис. 45-2. Биогазовая станция при птицефабрике на 3.7 мил. кур в г. Пэнлай в провинции Шаньдун. КНР.

Рис. 45-3. Карта размещения биогазовых мощностей в ЕС.

Переработка мусора. Свалочный газ из твердых бытовых отходов (ТБО) Количество ТБО на планете – более 400 млн. тонн в год. Эмиссия метана достигает уровня 70 млн. т/год. Технология газификации твердых бытовых и промышленных отходов (ТБО) позволяет получать из 1 т ТБО 2,23 МВт электроэнергии. [206]

Преимущества

Производство биогаза открывает значительные преимущества… В Северной Америке биогаз будет использоваться для генерирования электроэнергии для удовлетворения до трех процентов ее расходов на континенте. Кроме того, биогаз потенциально может помочь уменьшить глобальное изменение климата. Как правило, разлагающийся на воздухе навоз образует два основных газа, вызывающих глобальное изменение климата: двуокись азота и метан. Двуокись азота (NO₂) нагревает атмосферу в 310 раз больше, чем углекислый газ и метан в 21 раз больше, чем углекислый газ. Путем преобразования коровьего навоза в биогаз метан с помощью анаэробного сбраживания, миллионы коров в Соединенных Штатах был бы в состоянии произвести сто млрд киловатт-часов электроэнергии, что достаточно для питания миллионов домов по всей территории Соединенных Штатов. В самом деле, одна корова может производить достаточное количество навоза в один день, чтобы генерировать три киловатт-часа электроэнергии, всего 2,4 киловатт-часов электроэнергии, необходимой для питания одной сто ваттная лампочка за один день [206]

Кроме того, путем преобразования коровьего навоза в метан, биогаз вместо того, чтобы разлагаться, можно уменьшить глобальное потепление газов по девяносто девять милионов метрических тонн, или на четыре процента. [206]

Благодаря многим преимуществам биогаз становится популярным источником энергии и в Соединенных Штатах его начинают использоваться больше и больше. В 2003 году Соединенные Штаты потребляли 147 триллионов БТЕ энергии из "свалочного газа", около 0,6 % от общего США потребление природного газа. [2006]. Метана биогаза, полученный из коровьего навоза также проходит испытания в США. Согласно исследованиям, проведенным в США в 2008 году биогаза из коровьего навоза будет достаточно, чтобы производить 100 миллиардов киловатт-часов электрической энергии и обеспечить несколько миллионов домов по всей Америке. Кроме того, сжигая метан биогаза, можно уменьшить на 99 миллионов тонн/год выбросы парниковых газов или около 4 % парниковых газов, производимых в Соединенных Штатах. [206].

В Великобритании в настоящее время имеется около 60 фермерских биогазовых установок, но некоторые более крупные объекты существуют вне ферм, которые перерабатывают отходы продуктов питания и потребительские отходы. [206]

Впервые 5 октября 2010 года биогаз ввели в газовую сеть Великобритании. Сточные воды из более 30.000 домов Оксфордшира направлены на очистные сооружения в Didcot, где они обрабатываются в анаэробных биореакторах для производства биогаза, который затем очищается, чтобы обеспечить газом около 200 домов. [206]

Рис 45-4. Биогазовая станция в ФРГ [204].

В Пакистане, Индии и Бангладеш биогаз, полученный при анаэробном сбраживании навоза в небольших установках называется gobar газ; считается, что такие объекты существуют в более чем двух миллионов домашних хозяйств в Индии и сотни тысяч хозяйств в Пакистане, особенно в Северном Пенджабе, в связи с широким использованием населением крупного рогатого скота. Биогаз стал популярным источником топлива во многих частях Непала. Реактор представляет герметичную круглую яму из бетона с патрубком. Навоз подается в реактор, как правило, непосредственно из хлева. Реактор затем заполняется необходимым количеством сточных вод. Газовая труба соединена с кухонной печкой через регулирующие клапаны. Благодаря простоте внедрения и использования дешёвого сырья в деревнях, он является одним из самых экологически безопасных источников энергии для сельских нужд

Рис. 45– 5. Биогазовая установка в Индии [204].

Один из видов этих систем Digester Sintex. Некоторые проекты используют вермикультуры для дальнейшего повышения удобрительный свойств шлама, произведенного биогазовой установкой для использования в качестве удобрений. [2006]. Для того чтобы пропагандировать и заинтересовать людей в производстве биогаза в 2010 году была создана «Индийская ассоциация биогаза» [206].

В Пакистане компания ПАК-Энергия решение. [206] стремится установить 70 тысяч биогазовых установок в 3-х лет.

В Пакистане на биогазе в настоящее время работают дизельные двигатели, газовые генераторы, кухонные печи, гейзеры… В Непале, правительство предоставляет субсидии для строительства биогазовых установок.

Биогазовые технологии являются проверенными и хорошо зарекомендовавшими себя технология во многих частях мира, особенно в Азии. [206]. Несколько стран этого региона приступили к крупномасштабным программам по внедрению биогаза, такие, как Китай. [206] и Индии… Биогазовые программы в Азии работают в Непале, [206] Вьетнаме. [206], Бангладеш, [206], Бутане, Камбодже, [206] Лаосе, [206] Пакистане. [206] и Индонезии, [206]; в Африке; Руанде, [206], Сенегале, Буркина-Фасо, Эфиопии, [206] Танзании, [206], Уганде, Кении, Бенине и Камеруне.

Глава 46. Применения биогаза на транспорте

БИОМЕТАН ДЛЯ АВТОТРАНСПОРТА

Будущее транспортных средств, работающих на природном газе, связано с метаном биологического происхождения (очищенным биогазом). Такова точка зрения участников заседания круглого стола и пресс-конференции Европейской газомоторной ассоциации (ENGVA), проведенной в Брюсселе в июне 2006 г. В связи с климатическими измененииями и в рамках набирающей силу тенденции использования возобновляемых источников энергии применение биометана становится все более необходимым и сыграет существенную роль в дальнейшем развитии отрасли газомоторного транспорта. Были продемонстрированы образцы автомобилей. Президент Европейской газомоторной ассоциации (ENGVA) Питер Бойзен выступил с резким заявлением: "Все больше говорится о производстве метана при переработке нефти!? Это безумие! Метан должен играть самостоятельную роль". Рано или поздно, экономические преимущества газообразного топлива приобретут широкое признание. Консервативные силы, стоящие за сохранение роли традиционного горючего, ведут безнадежную борьбу". "Переход с жидкого горючего на газообразное моторное топливо создаст новые, невиданные возможности для стимулирования деловой активности. Сначала это будут по большей части транспортные средства, работающие на метане, но постепенно получат распространение и автомобили с водородными топливными элементами", – подчеркнул он. "Европа с учетом ее климатических условий природных ресурсов и уровня технологического развития имеет отличные перспективы занять лидирующие позиции". "Не следует считать природный газ просто еще одним видом ископаемого топлива. Вместо этого следует с благодарностью оценить ту роль, которую он может сыграть в постепенном переходе от ископаемых источников энергии к возобновляемым. Настало время для правительства сделать шаг вперед и поддержать развитие рынка транспортных средств, работающих на природном газе. Оно должно приложить усилия для создания соответствующей инфраструктуры заправочных станций сжиженного и сжатого природного газа и, как можно скорее, увеличить долю возобновляемого метана (биометана)" Количество энергии, получаемой из растительного биометана, в 2 – 3 раза больше, чем в других видах биотоплива, например, биодизельных смесях. Цены на сырую нефть за четыре года (с 2002 по 2006 г.г.) выросли на 300 %, и именно это служит главной предпосылкой для перехода на природный газ. Одновременно увеличивается экономическая целесообразность использования различных видов биотоплива, включая метан биологического происхождения. К 2030 году именно метан позволит топливу, получаемому из возобновляемых ресурсов, составить 77 % от всего объема горючего, применяемого в транспортной отрасли. Еще 15 % экономии может быть достигнуто благодаря гибридизации двигателей машин внутригородского сообщения и парка доставочных автомобилей.

Биогаз может заменить сжатый природный газ для использования в транспортных средствах, где он может питать двигатель внутреннего сгорания или топливных элементов… [3].

Метан в биогазе может быть сконцентрирован через Upgrader биогаза по тем же стандартам, как ископаемый природный газ. Производители биогаза могут использоваться локальные сети распределения газа, но газ должен быть очень чистым и достичь трубопроводного качества. Углекислый газ, вода, сероводород, и частицы должны быть удалены, если присутствуют.

Сжатый биогаз широко используется в транспорте в Швеции, Швейцарии и Германии. С 2005 г. в Швеции работает на биогазе пассажирский поезд. Биогаза питанием поезд был на службе в Швеции с 2005 года. [206].

Volvo и Scania производят автобусы с двигателями, работающими на биогазе. Такие автобусы активно используются в городах Швейцарии: Берн, Базель, Женева, Люцерн и Лозанна. По прогнозам Швейцарской Ассоциации Газовой Индустрии к 2010 году 10 % автотранспорта Швейцарии будет работать на биогазе.

Муниципалитет Осло в начале 2009 года перевёл на биогаз 80 городских автобусов. Стоимость биогаза составляет €0,4 – €0,5 за литр в бензиновом эквиваленте. При успешном завершении испытаний на биогаз будут переведены 400 автобусов. [206].

В 2007 году 12 000 транспортных средств были модернизированы для использования биогаза по всему миру, в основном в Европе. [206].

46.1. Использование биометана в грузовом автотранспорте. Замена дизельного топлива на экологически чистый Биометан, изготовленный из сельскохозяйственных отходов

Качество воздуха в Сан-Хоакине в долине Калифорнии становится все хуже, и дизельные грузовики вносят значительный вклад в эту проблему. Дизель-сжигающие грузовики широко используются во всем мире.

Рис 46-1. Автобус на биогазе, Швеция. [206].

Рис 46-2. Биогазовая заправочная станция в Стокгольме. [206].

Рис 46-3. Поезд, работающий на биотопливе. [206].

Биометан сгорает намного чище, чем дизельное топливо, бензин или природный газ, и он может быть использован в любом двигателе, работающим на природном газе грузовых, легковых автомобилей и автобусов… Он широко используется в Швеции и других странах Европы… В 2009 году в Калифорнии были успешно проведены испытания двух большегрузных автомобилей на биометане. Это первая в своем роде операция происходила из государственного и частного партнерства, направлена на разработку новых моделей для замены дизельного топлива возобновляемыми биометан, производимым из сельскохозяйственных отходов.

Такой подход позволяет уменьшить загрязнение воздуха (от выбросов дизельных двигателей), снижает глобальные выбросы потепления (метан из навоза), снижает зависимость от ископаемого топлива и дает фермерам местный самостоятельный источник топлива. Биометан имеет гораздо более высокий чистый выход энергии, чем этанол из кукурузы. А использования навоза позволяет отказаться от использования продовольственного сырья в энергетических целях. [207].

46.2. В Торонто разрабатывают мусоровозы, работающие на биотопливе

На протяжении многих лет, большие территории от Калифорнии до Великих озер, служили накопителями метана. Недавно в Торонто выразили свою идею использования природного биогаза в качестве топлива для мусоровозов.

На новых мусоровозах будут установлены двигатели Cummins Westport ISL G. Они смогут работать на природном биогазе и биогазе, собранном на местных свалках. Данная программа является частью программы Green Fleet Plan.

Рис. 46-4. Мусоровозы, работающие на биогазе (Торонто, Канада).

На данный момент был приобретен лишь один грузовик. В случае, если тестирование покажет многообещающие результаты, будет приобретено значительно большее количество. Возможно также, что эти грузовики будут в состоянии работать на органических отходах, которые они собирают по всему городу, сообщает Gas2.0. [208]

Глава 47. Кому выгодно строить биогазовую установку?

Фермеры, строящие биогазовые установки, как правило, преследуют этим самым единую цель: производство энергии. Кроме того преимущества можно получить и от других позитивных факторов, изображенных на рис. 47-1.

Рис. 47-1. Основные продукты фермерских биогазовых установок.

Для каждого предприятия перечисленные преимущества могут иметь свое значение, поэтому можно спорить о приоритетности при составлении таких таблиц. Уменьшение неприятного запаха при достаточном разложении субстрата является существенным аргументом для фермеров, чьи площади расположены в густозаселенных регионах. Иногда строительство биогазовой установки вообще становится началом увеличения размеров фермы (увеличение количества поголовья скота). Иногда неприятные запахи сами по себе являются причиной демонстраций против строительства биогазовых установок. [3]. С экологической точки зрения, большой интерес для экопредприятий предоставляет возможность путем брожения переработать азот на подходящее для хранения вещество. Аргументом в пользу строительства биогазовой установки может быть также создание рабочего места для будущего владельца хозяйства. Для фермы, например, может быть важной возможность выведения своих сточных вод в биогазовую установку вместо подключения дорогой канализации.

Глава 48. Применение биогазовых технологий в народном хозяйстве. Мировой опыт

Указанные выше характеристики и многообразие биогазовых технологий положительным образом отразились на создании и развитии биогазовой промышленности в ряде стран

48.1. Установки промышленного типа

На современном этапе развития биотехнологии важное значение приобретает интенсификация процесса метанового сбраживания и снижение за счет этого его экспозиции, капитальных и эксплуатационных затрат.

Опыт внедрения биоэнергетических установок за рубежом свидетельствует об ускоренном развитии этого направления и их совершенствования. Примерами соответствующих технических решений могут служить установки модульного типа, разработанные фирмами «Биосистем» (Швеция), «Липп» (ФРГ), «Энбом» и «Карелиа Трейд Ой» (Финляндия), выполняемые на основе горизонтальных цилиндрических реакторов с продольными мешалками.

В установке фирмы «Биосистем» достигнутая экспозиция сбраживания составляет 11–12 суток при удельном выходе биогаза 1,8 м^З/м^З реактора в сутки. Интенсификация достигается за счет введения предобработки сбраживаемой массы в выдерживателе, объем которого составляет 1 /5 от объема реактора.

Установка фирмы «Энбом», имеющая близкие к «Биосистем» характеристики и тип реактора, не содержит выдерживателя, а многостадийность и связанная с этим интенсификация процесса обеспечиваются за счет секционной конструкции реактора, создаваемой поперечными перегородками.

Недостатком горизонтальных метантенков является то, что они ограничены по диаметру транспортными габаритами. Второй недостаток этого типа метантенков связан с большой длиной механических мешалок, расположенных в горизонтальном направлении. Это требует сложного механического оборудования и значительных энергетических затрат на работу таких мешалок.

Другое направление в реакторостроении представляют крупные вертикальные метантенки, собираемые на месте. Это биореакторы фирмы «Клаухан» (Дания), «Швартинг» и «МББ» (ФРГ), «Аджип Джиза» (Италия), «Дёмшёд» (КНР), «Енжинеринг» (Франция), «Пеку» (Бельгия), «Бритиш биогаз» (Англия) и др.

Биоэнергетические установки 2-го поколения (фирма "Клаухан"), предназначенные для метанового сбраживания жидкого навоза, обеспечивают глубину разложения органики до 50 %. Сокращение экспозиции сбраживания до 7,2 суток достигается за счет раздельного сбраживания волокнистой и жидкой фракции с иммобилизацией активной микрофлоры на пластмассовых носителях в анаэробном фильтре. В этом случае жидкая фракция сбраживается при значительном сокращении экспозиции (до 1,5 суток), в то время как плотная волокнистая фракция может обрабатываться в традиционном реакторе с увеличенной экспозицией. Таким образом, установка "Клаухан" представляет собой гибрид традиционного метантенка и анаэробного фильтра.

Двухступенчатая биогазовая установка фирмы "Швартинг" (ФРГ) также состоит из двух бродильных емкостей с возвратно-поступательным перемешиванием массы. Кислотогенная стадия процесса отделена от метаногенной, и протекает каждая в своей емкости при температуре 55 °C. Благодаря этому существенно (от 1 до 8 суток) сокращается время технологической выдержки сбраживаемой массы в метаногенной стадии, являющейся лимитирующей во всем процессе.

Еще более значительное повышение эффективности процесса сбраживания достигнуто немецкой фирмой "МББ" на установке с реактором объемом 1.000 м³, рассчитанной на переработку навоза от 1.200 голов КРС и растительных отходов (травы, ботвы и т. д.). Выход газа при этом составил по данным фирмы от 2 до 3 м³ на м³ реактора, что более чем вдвое превысило удельные показатели метантенков аналогичного назначения.

Реактор конструктивно выполнен в виде двухкамерной емкости, разделенной решетчатой диафрагмой, на которой сверху размещена сыпучая масса, служащая объемным фильтром для разделения сбраживающей массы на жидкую и густую фракции и для фиксации метаногенной флоры.

Для переработки разбавленных стоков как наиболее отработанную в технологическом отношении следует отметить систему анаэробного сбраживания итальянской фирмы "Аджип Джиза". Наряду с раздельным сбраживанием жидкой и твердой фракций стока, здесь предусматривается денитрификация сброженной жидкой фазы и дальнейшее выращивание на ней водного гиацинта с последующим использованием его на корм. Сбраживание жидкой фазы влажностью 98–99 % осуществляется в мезофильном диапазоне при температуре 35 °C и экспозиции 2–3 суток.

Данные по биогазовым установкам, применяемым в развитых странах, приведены в Табл. 48–24.

Таблица 48-1

Сравнительные данные по биогазовым установкам

Сравнительный анализ технических характеристик биогазовых установок (Табл. 48-1) показывает, что наибольшая скорость процесса сбраживания при соизмеримой полноте разложения органической составляющей навоза достигнута на установках фирм «Колорадо биогаз» (США), «Швартинг» (ФРГ), «Биосистем» (Швеция) и «Клаухан» (Дания). При этом необходимо отметить, что абсолютное большинство установок работают на границе энергетической эффективности.

Для широкого распространения биогазовой технологии особое значение имеют следующие факторы:

• стоимость установки;

• удельная производительность;

• полнота переработки сброженной массы и биогаза в наиболее ценные продукты по сравнению с исходным сырьем;

• эффективность в решении задач, связанных с охраной окружающей среды;

• высокая эксплуатационная надежность и простота обслуживания.

Стоимость установки в значительной степени определяется простотой ее технологической схемы и отсутствием в ней уникальных компонентов.

Несмотря на то, что собственно биогазовый реактор вносит наибольшую долю в стоимость всей установки, затраты на него, как правило, не превышают 30 % всех затрат на БЭУ. Вследствие этого более существенным является увеличение скорости переработки и связанное с этим уменьшение объема реактора, что позволит обеспечить необходимый экономический эффект раньше, чем произойдет существенное уменьшение затрат на комплектующее оборудование, входящее в состав биоэнергетической установки или значительное сокращение его номенклатуры в связи с существенным упрощением установок. Один из путей снижения стоимости биогазовых установок связан с реализацией поршневого движения потока сбраживаемой массы для осуществления перемешивания в реакторе.

Однако при поршневом поступательном движении массы в реакторе не обеспечивается достаточная рециркуляция сброженного потока, необходимая для инокулирования в свежую массу хорошо адаптированных к субстрату микроорганизмов.

Вследствие этого даже при оптимальной концентрации сухих веществ в сбраживаемом навозе (7–8%) время удержания массы в реакторе составляло 30 суток.

Рис. 48-1. Дания, Биогазовая станция для переработки отходов городов

Рис. 48-2. Дания. Биогазовая станция по переработке отходов сельскохозяйственного производства

Рис. 48-3. Дания. Биогазовая станция по переработке отходов сельскохозяйственного производства Горизонтальный биореактор-метантенк

Рис. 48-4. Израиль. Биогазовая станция по переработке отходов сельскохозяйственного производства.

Рис. 48-5. Израиль. Двустенный полимерный газгольдер.

Таблица 48-2

Количество различных типов энергооборудования в мире по использованию лэндфилл-газа

Итого: 1152

Рис. 48-144. Горизонтальные биореакторы-метантенки, последовательно соединенные по типу трехстадийной метангенерации, в г. Санто Фе.

Глава 49. Биогаз в прибалтийских республиках, Республиках Казахстан и Кыргистан

Республика ЛИТВА.

Биоэнергетика в Литве развивается более 15 лет, начиная с 1991 г., за этот период построено 8 биогазовых станций. Сегодня действует 7 станций, анаэробным способом перерабатывающие отходы органического происхождения и производящие тепловую и электрическую энергию. Сегодня в Литве на действующих анаэробных биогазовых станциях по ориентировочным подсчетам в течение года перерабатывается порядка 820 тыс. тонн биодеградирующих отходов различного типа и производится порядка 30,4 млн. м³ биогаза, из которого генерируется около 161 млн. кВтч энергии: около 51 млн. кВтч электрической и 110 млн. кВтч тепловой. Общая установленная мощность генерирующих источников, работающих на биогазе, сегодня достигает порядка 25,8 МВт, в том числе генерирование электрической мощности составляет около 8,8 МВт, тепловой – 17 МВт.

Завод по производству биоэтанола и биогазовая станция ЗАО «Курана» являются одними из крупнейших в Европе и самым большим в Прибалтике предприятием по производству биогаза. В течение года здесь планируется перерабатывать около 260 тыс. тонн барды, а также глицерина и другой биомассы, и произвести порядка 23 млн. м³ биогаза. Для производства электроэнергии предусмотрена установка когенерационных установок суммарной мощностью 4 МВт с котлами-утилизаторами производительностью 2,1 тонны/час пара и паровой котельной производительностью 12 тонн/час пара.

Выполненные проекты: Переработка в биогаз смешанного сырья:

1. навоза свиней 80 % (100 тн в день) и отходов пищевой промышленности 20 % (20 тн в день). Установленная электрическая мощность 600 кВт (4х150 кВт), Литва 2. спиртовой барды 97 % (470 тн в день) и отходов пищевой промышленности 3 % (15тн в день). Установленная электрическая мощность 4000 кВт (4х1000 кВт), Литва [260].

Рис. 49-1. Биогазовая станция для переработки спиртовой барды. (Республика Литва)

Рис. 49-2. Конструкции биогазовых реакторов: а – вертикальный, б – горизонтальный

Рис. 49-3. Когенерационные установки: а – открытого типа, б – закрытого типа.

Здания КГУ Биореакторы

Рис. 49-4. Состав биогазовой установки

Рис. 49– 5 Биореактор. Биореакторы

Рис. 49-6. Биогазовая станция мощностью 0.83 МВт (Лимбажская волость Талсинского уезда, Республика Латвия.)

Республика ЛАТВИЯ.

В Латвии (Лимбажская волость Талсинского уезда) будет создано биогазовое производство и построена когенерационная станция. Биогазовая станция станет третьей по счету в Латвии. Мощность биогазовой станции составит 0,83 МВт, производство электроэнергии -6600 МВт-ч/год. Источником для производства альтернативного вида топлива будут отходы растениеводства – неликвидные яблоки, зерновые и т. д. Электроэнергия будет продаваться в сеть Latvenergo. Строительство первой в Латвии биогазовой станции началось в июле 2009 г., второй – в сентябре 2009 г.

Более 90 % латвийских биогазовых когенерационных станций, дающих возможность крестьянским хозяйствам и предпринимателям более эффективно использовать побочные продукты сельского хозяйства, например, навоз, солому, отходы производства продуктов питания и производящих из них электроэнергию, основаны при поддержке ЕС.

В настоящее время на территории Латвии работают 52 станции когенерации [209].

Рис. 49-7. Биогазовая установка для переработки послеспиртовой барды, проект BIO-DEGVIELA, Латвия 2009–2010.

Рис. 49-8. Фазы строительства проекта:1. март 2010– закладка фундаментов ферментера и постферментера

2. май-июнь 2010, строительство ферментера и постферментера

3. август– октябрь 2010, окончательный монтаж установок и запуск биологии

4. монтаж и запуск газовых моторов

Республика КАЗАХСТАН.

Рис. 49–10. Биогазовая установка «ИБГУ-1», выпускаемая казахстанскими заводами по документации ЗАО Центр «ЭКОРОС», РФ.[210]

Рис. 49–11. Строительство биогазовой установки БУ-5 (Казахстан)

ТЕХНИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ БИОГАЗОВОЙ УСТАНОВКИ БУ-5.

1 – биореактор; 2 – газгольдер; 3 – гидрозатвор; 4 – теплообменник; 5 – загрузочная камера; 6 – мешалка; 7 – ковш-дозатор; 8 – топливный котел; 9 – керамическая газовая горелка; 10 – расширительный бак; 11 – циркуляционный насос; 12 – ТЭН; 13 – шнек; 14 – теплообменник пастеризатор; 15 – ТЭН-доводчик; 16 – огнепреградительное устройство; 17 – газовый счетчик; 18 – газовый кран; 19 – разделитель фракции; 20 – вакуумный насос; 21 – хранилище для удобрений; 22 – бурт для твердый фракции удобрения; 23 – теплоизолирующий кожух; 24 – транспортная тележка; 25 – теплоизоляция корпуса биореактора; 26 – патрубок для слива удобрения.

Республика КЫРГИСТАН.

Рис. 49–12. Внешний вид и схема биогазовой установки в г. Кант 1 – реакторы; 2 – бункер загрузки сырья; 3 – емкость для подготовки сырья; 4 – насосы для закачки и перемешивания сырья; 5 – запоры;6 – емкости для хранения удобрений.

Примером такой установки может служить установка птицефабрики «2Т» в г. Кант Чуйской области КР. Установка состоит из трех надземных реакторов с подогревом, объемом каждый 25 м³ с гидравлической загрузкой, выгрузкой и перемешиванием сырья с помощью центробежных насосов.

Подраздел четвертый

Глава 50. Применение биогазовых технологий в сельскохозяйственном производстве Германии

Рис. 50-1. Германия. Биогазовая станция по переработке отходов сельскохозяйственного производства. Двухфазный процесс

Германия является крупнейшим производителем биогаза в Европе [206] лидирует на рынке биогазовых технологий. [206] В 2010 году было 5905 биогазовых установок, работающих на всей территории страны. Нижняя Саксония, Бавария и восточные федеральные земли являются основными регионами [206]. Большинство из них используются в качестве электростанций. Обычно биогазовые установки непосредственно связаны с ТЭЦ, которые вырабатывают электроэнергию за счет сжигания биологического метана. Вырабатываемая электроэнергия затем подается в общественную энергосистему. [206]. В 2010 году общая установленная электрическая мощность этих электростанций была 2291 МВт [2006]. Эта электроэнергия в объеме 12,8 млрд. кВт-ч составляет 12,6 процента от общей электроэнергии, генерируемой возобновляемыми источниками энергии.

Производство биогаза в Германии быстро развивалась в течение последних 20 лет. Основной причиной этого развития являются юридически созданные структуры. Государственная поддержка возобновляемых источников энергии началась в начале 1990-х годов с Законом об электроэнергетике [211]. Этот закон гарантирует производителям энергии из ВИЭ нормы принятия общественными электросетями, таким образом, энергетические компании были вынуждены принимать все произведенную энергии от независимых частных производителей экологически чистой энергии. [206]. В 2002 году этот Закон был заменен Законом о Возобновляемых источниках энергии [212]. Этот закон гарантирует даже фиксированные компенсации за вырабатываемую электроэнергию более 20 лет. об электроэнергии поток Немецкому производству биогаза в сельском хозяйстве был дан дальнейший толчок в 2004 году путем реализации так называемого NawaRo-Бонус. Это специальная выплата бонуса для использования возобновляемых ресурсов, т. е. энергетических культур. [206]. В 2007 году правительство Германии подчеркнула свое намерение инвестировать дополнительные усилия и поддержку в улучшении возобновляемых источников энергии, чтобы дать ответ на растущие проблемы климата и повышения цены на нефть «Комплексные программы по Климату и энергетике».

50.1. Технологические требования к переработке сельхозотходов

50.1.1. Сырье и субстраты [3]

В процессе расщепления олигомеров органических отходов животноводства образующиеся продукты каждой группы бактерий выступают питательными веществами для следующей группы бактерий. Пофазное расщепление органических веществ происходит с разной скоростью. Активнее работают кислотообразовывающие бактерии, производящие первые преобразования поступающих органических веществ уже на протяжении от нескольких часов до 2 дней. В идеальном случае между фазами расщепления устанавливается динамическое равновесие в концентрации веществ, а именно между поступлением питательных веществ и их расщеплением. Наиболее часто совершаемой ошибкой является перекармливание бактерий быстро расщепляемым субстратом, что приводит к накоплению кислот из-за кислотообразующих бактерий. В связи с этим может наступить слишком резкое падение уровня рН, которого не переживут другие бактерии. Кроме того, избыточная концентрация выработанного вещества приводит к задержке роста вырабатывающей ее группы бактерий. [3].

Динамическое равновесие также определяется легкостью разложения субстрата. Сахар и крахмал, например, через свою простую структуру сбраживаются очень быстро и требуют лишь короткого времени пребывания в ферментере. Чем сложнее структура субстрата, тем дольше длиться расщепление. Целлюлоза и гемицеллюлоза имеют широко разветвиленную структуру и разлагаются медленно. [3].

Скорость расщепления субстратов имеет прямое влияние на технически необходимое время для брожения. Таким образом, уже при планировании биогазовой установки стоит четко определить, какой субстрат или какие субстраты будут использоваться для брожения. Однако не только технически необходимое время для брожения определяет время пребывания в ферментере, значение имеют также экономические показатели. Время брожения, таким образом, определяется динамикой анаэробного расщепления и быстротой расщепления определенного субстрата. [3].

Технологически процессы метангенерации в ферметерах-метантенках делятся на периодические, полупериодические и непрерывные. При периодическом процессе метантенк загружается целиком один раз и освобождается для новой загрузки после полного выбраживания. При полупериодическом процессе свежий субстрат подается порциями через определенные промежутки времени с одновременной выгрузкой таких же объемов. При непрерывном процессе сырье подается постоянно с одновременной постоянной выгрузкой.

50.1.2. Одно и многоступенчатый процесс

Технологически процессы метангенерации могут протекать в одном метантенке – одно-стадийный процесс, или в нескольких биореакторах, в которых процесс технологически разделяется на стадии или фазы: 1) стадия гидролиза, 2) стадия кислотообразования, 3) стадия аммонификации и 4) стадия метангенерации. Для субстратов с быстрым расщеплением рекомендуется для гидролиза и кислотообразования предусмотреть отдельный резервуар, чтобы из него продукты разложения дозировано подавать в ферментатор (двухступенчатая технология). Преимуществом является выдерживание эффективности работы бактерий через создание оптимальных условий жизнедеятельности (в первую очередь уровень рН). Таким образом можно достичь большего производства биогаза. Брожение барды, например, требует такого раздела фаз.(Это было установлено и применено еще в 60-тидесятые годы советскими специалистами на заводах АБЗ, см. ранее). Кроме того, не используемые газы благодаря такому разделу можно разделять биофильтром, отделяя, таким образом, лишь газ с высоким содержанием метана. [3].

Хотя раздел фаз наилучшим образом соответствует условиям жизнедеятельности бактерий и имеет свои преимущества, такие двухступенчатые технологии не имеют большого распространения. Дополнительные потери на второй резервуар, на системы смешивания, отопления и насосы могут окупиться лишь для определенных видов субстратов. С другой стороны на практике достаточно часто можно найти два поочередно связанных между собой резервуары. В таких случаях первый резервуар выступает настоящим ферментатором, оборудован отоплением, мешалками, рассчитан на краткосрочное брожение и использование быстроразлагаемых субстратов. Во втором резервуаре, добавленном к первому и в принципе являющемуся ферментатором без отопления, происходит образование газа из субстратов, разлагающихся не так быстро, а соответственно и процесс брожения в нем длится дольше. [3].

50.1.3. Благоприятная среда обитания бактерий

С тем, чтобы бактерии могли хорошо работать в этом многоступенчатом анаэробном процессе им нужно создать определенные жизненные условия, которые описаны ниже.

Влажность.

Бактериальная метангенерация может протекать в достаточно широком диапазоне влажности от 10 % до 99 %. Оптимальная влажность, при которой имеет место максимальная скорость образования метана – 88–90 %. [2].

Исключение проникновения воздуха.

В анаэробном процессе расщепления органических субстратов принимает участие целый ряд микроорганизмов. Около 50 % участвующих бактерий являются аэробными или факультативно аэробными и требуют либо хорошо переносят кислород. Только метановые бактерии являются исключительно анаэробными. Если в субстрате еще присутствует кислород, как, например, в свежем навозе, то аэробные бактерии в первую очередь используют его. Это происходит на первом этапе процесса образования биогаза.

Уровень анаэробиоза определяется окислительно-восстановительным потенциалом. Окислительно-восстановительный потенциал – степень готовности ионов принимать электроны. Для роста анаэробных бактерий этот потенциал должен находиться на очень низком уровне (-0,1V)..

Равномерная температура.

Метановые бактерии проявляют свою жизнедеятельность в пределах температуры 0 – 70 °C. Если температура выше они начинают гибнуть, за исключением нескольких штамммов, которые могут жить при температуре среды до 90 °C. (Метаногенные биоценозы-консорциумы при температуре выше 56 °C на сложых органических субстратах не развиваются, происходит закисление. [2]). При минусовой температуре они выживают, но прекращают свою жизнедеятельность. В литературе как нижнюю границу температуры указывают 3–4 °C.

Скорость процесса брожения очень зависит от температуры. Чем выше температура, тем быстрее происходит разложение и тем выше производство газа. Таким образом сокращается время разложения^ Рис. 45-147) При возрастании температуры снижается содержание метана в биогазе. Это связано с тем, что при высоких температурах растворенная в субстрате двуокись углерода интенсивнее переходит в газовидную фазу (в биогаз), таким образом, что относительное содержание метана сокращается. Количество газа, которое можно добыть будет одинаковым при достаточном количестве времени брожения. Существует три типичных температурных режима, в которых себя хорошо чувствуют соответствующие штаммы бактерий:

• Психрофильные штаммы при температуре ниже 25 °C,

• Мезофильные штаммы при температуре 25–45 °C,

• Термофильные штаммы при температуре свыше 45 "С. [3].

Рис. 50-2. Влияние температуры ферментации на кинетику образования биогаза.

На практике в Германии большинство биогазовых установок работают при температурах 38–42 °C. Психрофильный режим работы из-за длительного времени брожения и небольшой производимости газа в наших широтах больше не играет столь важной роли, в то время как установки с термофильным режимом работы пользуются все большим спросом, не в последнюю очередь через все большие размеры установок они оснащаются устройствами автоматизированного управления. [3]

При термофильном режиме метангенерации бактерии метаногенного биоценоза более чувствительны к колебаниям температуры брожения, чем при мезофильном режиме. При мезофильном режиме ежедневные колебания в 2–4 °C едва ли имеют влияние на бактерии, в то время, как при термофильном режиме такие колебания должны быть не более 1 °C. Одноразовое размещение плохо уплотненного материала (с большим количеством кислорода) или большое количество очень холодного материала, а также остановка работы мешалки на несколько часов (в первую очередь в зимнее время), может вызвать такое изменение температуры на 1 °C. [3].

Работа при высоких температурах требует установки специальных систем автоматизации и точного управления работой биогазовой установки. Мезофильный режим создает меньше технических сложностей. На протяжении длительного периода времени (1 месяц и более), бактерии привыкают к новому температурному режиму, так что каждое предприятие может выбрать для себя оптимальный вариант. [3].

Уровень рН[3].

В то время, как гидролизирующие и кислотообразующие бактерии в кислой среде с уровнем pH 4,5–6,3 достигают оптимума своей активности, бактерии, образующие уксусную кислоту и метан могут жить только при нейтральном или слабощелочном уровне pH 6,8–8. Для всех бактерий действительным является следующее: если уровень pH превышает оптимальный, то они становятся медленнее в своей жизнедеятельности, что замедляет образование биогаза. Для одноступенчатых технологий следует выдерживать уровень pH для метанообразования (оптимум 7). На уровень pH можно влиять количеством добавляемого субстрата и его видом. Субстраты, которые содержат большую концентрацию легкоразлогаемых веществ, могут приводить к резкому падению уровня pH; поэтому их следует добавлять только в ограниченном количестве и постепенно. [3].

Субстраты отличаются между собой в их способности амортизировать уровень pH. Если концентрация H+ возрастает, то субстраты могут ее выровнять в ограниченном количестве и привязать к себе свободные ионы. Благодаря этому уровень pH в общем остается стабильным. Только когда связывающая и выравнивающая спосоность исчерпывается, уровень pH начинает расти. В любом случае такое медленно измеримое изменение содержания H+ к задержкам в развитии бактерий и таким образом к нарушению газообразования. Замеры pH таким образом отстают от реальной ситуации. Это хоть и является дешёвым способом контролирования процесса, но своевременное управление процессом исходя лишь из замеров уровня pH, является невозможным. Более эффективным является замер буферных свойств (смотр. Раздел 2.5). Для буферного эффекта в первую очередь важными являются карбонатные и аммонийные буферы:

HCO3⁺ + Н⁺ <-> H₂CО₃

Ион гидрокарбоната + ион водорода

<-> угольная кислота

NH3⁺ + Н⁺ <-> NH₄

Аммоний + ион водорода <-> аммоний

Если карбонатный буфер активизируется в несколько кислой среде, то при высоком уровне pH будет задействован аммонийный буфер. В навозе буферные вещества представлены в большом количестве. Таким образом навоз может сглаживать большие колебания уровня pH и хорошо улавливает чрезмерную кислотность.

Такой важный буферный потенциал отсутствует у возобновляемого сырья. В общем здесь устанавливается более высокий уровень pH, так что буфер аммония играет важную роль. В стабильных процессах брожения уровень pH регулируется самостоятельно.

Подача питательных веществ. [3].

Бактерии, для образования своих клеток требуют питательных веществ, витаминов, растворимых соединений азота, минеральных веществ и микроэлементов. Эти вещества в нужном количестве содержатся в жидком и твердом навозе. Достаточное их количество содержится также в сене, кукурузе (свежей или консервированной), остатках пищи, отходах кухни, внутренностях животных, барде и молочных продуктах – все эти продукты могут бродить в чистом виде без добавления других субстратов. В качестве ориентировочного значения для смешивания субстратов можно взять такие соотношения питательных веществ:

• С: N: P = 75:5:1 или 125:5:1

• C: N = 10:1 или 30:1

• N: P = 5:1

Соотношение С: N показывает общее соотношение углеводов с общим содержанием азота. На один процент фосфора приходится 5 процентов азота и 75-125 процентов углерода. Оптимальное соотношение углерода к азоту составляет 30:1 и 10:1. Если соотношение падает до уровня 8:1, то в связи с большим содержанием аммония в субстрате замедляется развитие бактерий из-за аммиака. Для каждого вида субстрата или смеси субстратов можно произвести расчет соотношений веществ. (смотр. пример Таблица 2.1).

Для оптимальной жизнедеятельности бактерий также есть необходимость в небольшом количестве тяжелых металлов и микроэлементов. В то же время тяжелые металлы могут оказывать сдерживающее или даже токсическое влияние. Насколько нечеткой является граница их действия нам показывает Таблица 45–26.

Никель, кобальт, молибден, вольфрам и железо являются особенно необходимы бактериям для образования энзимов. Минимальные требования к смеси питательных веществ для оптимального жизнеобеспечения бактерий показано в Таблице 45–24. Из этого следует, что процесс образования биогаза может происходить с широким спектром питательных веществ с низкой или высокой их концентрацией. Этот факт подтверждает также опыт из практики, что через определенный период времени бактерии привыкают даже к неблагоприятным условиям обитания.

Таблица 50-25

Расчет соотношения питательных веществ в смесях субстратов [3].

Содержание питательных веществ [гр/кг ТВ]

C N Р2О5

Навоз КРС (ГС) 40 3,2 1,6

Соотношение C: N:P = 25/2/1

Силосная кукуруза (СК) 96 3,9 0,7

Соотношение C: N:P = 137/5,6/1

Расчеты соотношения C: N:P смеси. [3]

На примере 1 процента навоза скота и 0,7 процента силосной кукурузы

Таблица 50-26

Расчет соотношения питательных веществ в субстрате или смеси субстратов

Из примера следует C = (96 х 0,7) + (40 х 1)/(1+0,7) = (67,2 + 40)/1,7 = 63 C углерод Аналогично рассчитываются также содержание N и P₂O₅

Результат расчета для образцовой смеси:

Содержание питательных веществ C N_q64 P₂O₅

Смеси субстратов [гр/кг]: 63,33 3,49 1,22 соотношение C: N:P = 52/3/1

Соотношение питательных веществ C: N = 17/1 соотношение N: P = 3/1

Смесь питательных веществ является приемлемой и находится в допустимых пределах.

Соотношение C: N скорее находится в нижней трети, поэтому при подаче дополнительного азотосодержащего субстрата следует обратить внимание на задержку развития в связи с обилием аммониака

Таблица 50-1

Замедляющее и токсическое влияние тяжелых металлов на необходимую концентрацию биогаза [3]

Многие микроэлементы образовывают вместе с серой устойчивые сульфиды и поэтому может возникнуть их нехватка.

Минимальные физико-химические требования к метаногенезу [3]

Большая площадь поверхности сырья [3].

Принципиальным является, что чем мельче субстрат, тем лучше. Чем больше площадь взаимодействия для бактерий и чем более волокнистый субстрат, тем легче и быстрее бактериям разлагать субстрат. Его проще перемешивать, смешивать и подогревать без образования плавающей корки или осадка. Измельченное сырье влияет на количество произведенного газа через длительность периода брожения. Чем короче период брожения, тем лучше должен быть измельчен материал (Изобр. 2.9).

При достаточно длительном периоде брожения количество выработанного газа снова увеличится. При использовании измельченного зерна этого уже удалось достичь через 15 дней.

Таблица 50-2

Минимальные физико-химические требования к процессу образования биогаза [3]

Равномерная подача субстрата. [3]

С целью избежания перекармливания бактерий, лучше всего равномерно подавать субстрат в ферментер через короткие интервалы времени. Чем легче разлагается материал, тем чаще следует подавать субстрат. Таким образом удастся также избежать резкого снижения температуры… Для установок с большой загрузкой ферментатора, как это часто встречается сегодня, с целью достижения большой мощности чрезвычайно важной является подача с интервалом в час. На рынке существуют автоматизированные системы подачи, рассчитанные на такие интервалы (смотр. Раздел 4: Процессуальная техника).

Подача субстрата. [3]

Быстрое разложение метановыми биоценозом возможно только при условии, что образовавшийся биогаз будет сразу же выводиться из субстрата. Если газ не будет выводиться из ферментатора, то в нем может образоваться высокое давление во много бар, которое может даже нанести вред.

В субстратах с высокой текучестью маленькие пузырьки газа поднимаются на поверхность самостоятельно. Сегодняшняя тенденция работать с 18 % сухого вещества и более настолько задерживает выведение газа, что субстрат начинает вздуваться как дрожжевое тесто и даже может поднять крышку ферментатора (Изобр. 2.10). Таким образом перемешивание важно не только во избежание корки и осадка, но и для выведения выработанного газа. Чем гуще субстрат, тем чаще надо его мешать.

Вещества, сдерживающие процесс метангенерации. [3]

Целый ряд соединений могут замедлить или и прекратить обмен веществ и рост микроорганизмов:

Некоторые вещества повреждают оболочку клеток или структуру бактерий (стиральные порошки и. т. д).

• Другие вещества разрушают энзимы обмена веществ клетки (тяжелые металлы и. т. д.)

Пагубное влияние веществ принципиально зависит от концентрации. Это значит, что сдерживающим фактором является не полное отсутствие определенного вещества, а его концентрация в соотношении с другими группами веществ.

• Кислород

Кислород может проникнуть с недостаточно обогащенным измельченным субстратом и вредить метановым бактериям.

• Антибиотики, химотерапевтические и дезинфицирующие средства

Антибиотики, химиотерапевтические и дезинфицирующие средства могут сдерживать процесс брожения и привести к его полной остановке, особенно при их высокой концентрации. Это может произойти, если со всем поголовьем либо одновременно все хлева начали дезинфицировать. В таком случае избежать проблемы поможет байпасная линия, ведущая из хлева прямо в емкость для хранения. Препараты, применяемые к отдельным животным, как правило, не имеют столь негативных последствий. Между применяемыми средствами также существует большая разница. Таблица 50-3 показывает, что есть вещества, не вредящие даже в большой концентрации, тогда как другие оказывают негативное влияние уже в малой концентрации.

Таблица 50-3

Влияние антибиотиков в корме животных на образование метана[3]

Органические кислоты, карбоновые кислоты, жирные кислоты [3]

Сдерживающее влияние оказывает также накопление органических кислот, которые образовываются при анаэробном разложении органики. Соотношение органических кислот, называемых также летучими жирными кислотами, дает информацию о состоянии процесса. При стабильном процессе образования биогаза сума органических кислот (их также называют эквивалентами уксусной кислоты) ниже 2000 мг/л. Вследствие слишком быстрой подачи свежих или очень легко разлагающихся субстратов может произойти быстрое накопление кислот до уровня 16.000 мг/л. Кроме того произойдет негативное изменение соотношения уксусной кислоты к пропионовой кислоте. Если уровень превышает 3.000 мг/л, а для пропионовой кислоты 300 мг/л, то согласно Веллингеру произойдет нарушение процесса. Накопление кислот приводит к целому ряду реакций, начиная с того, что большие концентрации кислот сдерживают сами бактерии таким образом, что понижается уровень pH, что и вызывает задержку развития метановых бактерий до полной остановки процесса разложения. Противодействовать этому можно лишь полным сокращением подачи субстрата. Также одноразовая подача один раз в день, как это было принято раньше, ведет к сильному накоплению органических кислот, которые однако разлагаются в течение дня.

Но бактерии могут приспособиться к концентрации кислот, поскольку бактерии имеют большую способность к приспособлению. На практике известно много установок, стабильно работающих с большой концентрацией кислот и имеющих большую производимость газа. В таких случаях важной являлась медленное и постепенное приспосабливание к новой среде.

• Сероводород

При разложении серосодержащих субстратов (преимущественно белки) образовывается высокотоксичный практически для всех живых существ сероводород (H₂S). Уже при концентрации ниже 10.000-чной его можно идентифицировать через неприятный запах тухлых яиц, если же концентрация превышает вышеназванную, то запах исчезает, но газ остается высокотоксичным (Табл. 2.5).

Чем ниже уровень pH, тем выше процент H₂S в субстрате и биогазе, и тем выше токсический потенциал. Если содержание H₂S в газе превышает 2.000 ppm или 50 мг H₂S в растворе, то стоит ожидать задержки развития бактерий. Риск тем меньше, чем выше содержание расщепляяемых углеродных соединений в субстрате (эффект разбавления).

В серосодержащих субстратах могут появляться штаммы бактерий, которые используют водород для образования сероводорода. Они будут конкурировать с метановыми бактерииями за водород. Таким образом уменьшается метанообразование и образовавшийся сероводород сам сдерживает развитие метановых бактерий.

Влияние уровня рН на концентрацию сероводорода и на задержку развития бактерий.

Концентрация сероводорода в газообразном либо жидком виде в зависимости от уровня рН.

Несмотря на это сера является важным питательным элементом субстрата, поскольку она необходима для образования биомассы бактерий. [3].

Аммиак

Вследствие анаэробного разложения азотосодержащих субстратов (богатые на протеин субстраты каковыми например являются клевер или птичий помет) образовывается аммониум (NH₄). Можно исходить из того, что около 50–60 % от общего содержания азота сохраняется в переброженном субстрате в виде аммония-азота. Он в свою очередь пребывает в соотношении раствор (диссоциация) с аммиаком (NH3⁺ + Н⁺ = NH₄), который является сильным ядом для нервов и клеток. Его острый запах невозможно спутать с каким-либо иным. В этом случае изменения на пользу ядовитого аммония зависят от уровня pH и температуры субстрата. Если уровень pH высокий и температура высокая, то баланс изменяется в сторону аммиака. Если pH = 7, то соотношение аммониум-аммиак 99:1. При повышении уровня pH = 9, соотношение также меняется 70: 30. Было установлено, что начиная с концентрации NH₄ 3 г/л следует учитывать начальную задержку. Эффект усилится при повышении температуры (Изобр. 2.14). Задержка часто происходит со значительным пенообразованием. [3].

Однако эти показатели не являются абсолютными. Как уже упоминалось раньше бактерии привыкают к определенным концентрациям, так что существуют установки, которые оптимально работают при содержании в субстрате 5 г аммониума-N и до 1,15 г аммиака-N, и у которых не наблюдается задержек. Кроме этого через добавление углеводов в форме волокносодержащего материала дополняется соотношение C/N и таким образом противодействуют задержкам. Также уменьшение ежедневно подаваемого количества субстрата имеет эффект разбавления и уменьшает тем самым нагрузку. Понижение температуры в ферментаторе также приводит к снижению токсичности.

В случае повторной подачи переброженного материала риск отравления аммиаком возрастает. Переброженный материал отличается небольшим соотношением между C/N, тем самым эффект усиливается.

Влияние сероводорода

Таблица 50-4

Влияние сероводорода[3]

Аммоний находится почти весь в растворенном жидком виде, это позволяет повторное использование материала после прохождения через фильтр. Все вышеизложенные факты стоит учитывать при планировании и закладывании размеров ферментатора.

Сдерживающее влияние из-за плохого качества субстрата и заплесневелого материала [3]

Бактерии метаногенного биоценоза должны получать достаточное количество питания. Если подаваемый субстрат плохого качества, то жизнедеятельность бактерий прекращается. Это хорошо иллюстрирует пример. Можно предположить, что не только плохое качество субстрата замедляет активность бактерий, но и плесневые грибы выделяют токсины, замедляющие развитие бактерий.

Сдерживающий эффект вторичных компонентов [3]

Вторичные компоненты также могут сдерживающе влиять на биоценоз:

1. Серные соединения (среди прочего в теплицах для выращивания капусты, лука-порея и репчатого лука)

2. Эфирные масла (корки цитрусовых, чеснок)

3. Щавелевая кислота (напр. в разных видах клевера)

4. Цианиды, танины и мн. др.

В первую очередь это происходит тогда, когда в установку подаются исключительно перечисленные субстраты или преимущественно эти субстраты. Но возможным является также привыкание путем медленного перехода на другой субстрат.

Сдерживающее влияние тяжелых металлов [3]

Токсичность тяжелых металлов зависит от их растворимости в воде, которая в свою очередь зависит от уровня pH. Тяжелые металлы действуют на энзимы клеточного обмена веществ и могут негативно влиять на жизнедеятельность бактерий. При этом нет четкой границы между сдерживающим и токсическим воздействием (Табл.). Это связано с высокой приспособляемостью бактерий. Ионы тяжелых металлов становятся недееспособными, когда они образовывают тяжело растворимые сульфиды металлов с H₂S и выпадают в осадок как твердое вещество.

Стимулирующие процесс субстраты (легкоразлагающиеся субстраты, энзимы) [3]

Из практики известно, что применяя целенаправленно и в ограниченном количестве легко разлагаемые субстраты, каковыми являются отходы зерновых, свежая горчица или сахарная свекла, можно наблюдать эффект быстрого разложения, при котором не образовываются толстые плавающие корки (до 0,5 м). Этот эффект объясняется тем, что добавление легкоразлагаемых субстратов приводит к оживлению и увеличению массы бактерий, которая может лучше и быстрее разложить более тяжелый материал. Искусство составления таких добавок состоит в том, чтобы не преувеличить питание, вызвав таким самым образом повышение концентрации органических кислот, то есть полностью противоположный эффект. При рационе в 4 т силосной кукурузы, 4,8 т кукурузы и 3 т травяного силоса целесообразно будет добавить 0,5 т отходов зерновых.

В Германии продаются добавки для биогазовых установок, которые согласно информации производителей стабилизируют процесс, ускоряют время брожения и повышают степень разложения, а также значительно повышают производство газа. Не подлежит сомнению тот факт, что такие субстраты есть и есть технологии, способные поддержать анаэробное разложение и работу бактерий. Например энзимы (напр. целлюлоза) или термическая ультразвуковая обработка (разогрев до 70 °C) может помочь раскрыть тяжелоразлагающиеся структуры и этим самым сделать их доступнее для бактерий. Добавление силикатов или глиняных минералов повышает поверхность расселения бактерий и таким самым образом повышает степень разложения. Также добавление микроэлементов, в случае их недостатка, может привести к повышению активности жизнедеятельности бактерий. Возрастание степени разложения или газопроизводства указывается разными производителями от 10 до 25 %.

3 Субстраты Расчет для единиц крупного рогатого скота [3]

Таблица 50-5

Расчет единиц поголовья скота и единиц крупного рогатого скота (КРС) [3].

Использование стоков для биогазовой установки с одной стороны интересно для многих фермеров, ведь так они могут экономить на дорогом подключении канализации; но с другой стороны содержание сухого вещества в стоках как правило ниже 2 %, таким образом приходится искать другие субстраты с достаточным содержанием сухого вещества. В таких случаях приходится также отказаться от использования агрессивных моющих и очищающих химических средств. Кроме того, размер биогазовой установки должен пребывать в разумном соотношении с количеством подаваемой воды.

Таблица 50-6

Выход смеси мочакал для разных видов животных при 10 % сухого вещества. [3]

За основу следует брать такой расчет: для десяти голов Рогатый Скот (РС) (14 м³ с 8 % СВ) можно без проблем использовать стоки после одного человека.

Как правило использование сточных вод для биогазовой установки разрешают тогда, когда прокладывание канала будет обходиться несравнимо дороже или когда вообще не существует возможности подключения к каналу.

Таблица 50-7

Колебания в составе и выходе биогаза для разных видов жидкого и твердого навоза при мезофильном температурном режиме, время брожения 30–35 дней [3].

Таблица 50-8

Контрольные данные по выходу газа с органических удобрений, получаемых в крестьянском хозяйстве (местные удобрения) [3]

Стимулирующие процесс субстраты (легкоразлагающиеся субстраты, энзимы) [3]

Из практики известно, что применяя целенаправленно и в ограниченном количестве легко разлагаемые субстраты, каковыми являются отходы зерновых, свежая горчица или сахарная свекла, можно наблюдать эффект быстрого разложения, при котором не образовываются толстые плавающие корки (до 0,5 м). Этот эффект объясняется тем, что добавление легкоразлагаемых субстратов приводит к оживлению и увеличению массы бактерий, которая может лучше и быстрее разложить более тяжелый материал. Искусство составления таких добавок состоит в том, чтобы не преувеличить питание, вызвав таким самым образом повышение концентрации органических кислот, то есть полностью противоположный эффект. При рационе в 4 т силосной кукурузы, 4,8 т кукурузы и 3 т травяного силоса целесообразно будет добавить 0,5 т отходов зерновых.

В Германии продаются добавки для биогазовых установок, которые согласно информации производителей стабилизируют процесс, ускоряют время брожения и повышают степень разложения, а также значительно повышают производство газа. Не подлежит сомнению тот факт, что такие субстраты есть и есть технологии, способные поддержать анаэробное разложение и работу бактерий. Например энзимы (напр. целлюлаза) или термическая ультразвуковая обработка (разогрев до 70°C) может помочь раскрыть тяжелоразлагающиеся структуры и этим самым сделать их доступнее для бактерий. Добавление силикатов или глиняных минералов повышает поверхность расселения бактерий и таким самым образом повышает степень разложения. Также добавление микроэлементов, в случае их недостатка, может привести к повышению активности жизнедеятельности бактерий. Возрастание степени разложения или газопроизводства указывается разными производителями от 10 до 25 %.

Субстраты и их влияние на процесс разложения [3]

Составление субстрата и стабильность процесса

При оценке субстрата следует учесть, что только из сухой массы, и в этом случае, только из ее органической части можно произвести метан. Поэтому содержание органической сухой массы в соотношении с общей массой является первым критерием для выбора составляющих смеси субстратов. Поэтому не удивительно, что количество добытого газа из 1 тонны (единица измерения) зерна в несколько раз выше чем при использовании силоса из целого растения либо барды, которые содержат значительно большее количество воды, из которой нельзя образовать газа.

Неорганический компонент, называемой в аналитических материалах также сырым пеплом, состоит из песка, земли, камней, металлической стружки от перерабытывающих машин и похожих веществ, попадающих в собранный урожай и навоз, либо в органические отходы. Такие составляющие нежелательны для процесса выработки биогаза, поскольку из них нельзя добыть биогаз и, кроме того, они приводят к техническим проблемам как-то их оседание. Свекла, например, содержит большое количество такой фракции.

Органическое вещество состоит из протеина, жиров, а также легко и тяжело разлагаемых углеводов.

Жиры являются разновидностью трехзначного алкоголя глицерина, к которому прикрепляются от одной до трех одинаковых либо разных жирных кислот (карбоновых кислот). Их называют соответственно моно-, ди– или триглицеридами. Жиры являются постоянными смесями разных триглицеридов и разлагаются на жирные кислоты и глицерин. Слишком большое количество жира приводит к накоплению органических кислот, поэтому снижается уровень pH и замедляется образование уксусной кислоты и метана.

Протеины (белок) являются сложномолекулярными, состоящими из аминокислот, соединенииями. Они, также как и углеводы и жиры, состоят из углерода С, водорода Н, кислорода О, но кроме этого содержат азот, серу, фосфор. Протеины разлагаются на пептиды, потом – аминокислоты, и под конец на органические кислоты. Для разложения белка и жира состав рациона не имеет значения по сравнению с разложением углеводов.

В группе углеводов различают легко поддающиеся разложению и смешанные углеводы с очень разветвленной и сложной структурой, которые очень тяжело переваривать:

? Моносахариды: сахар, глюкоза, фруктоза

? Олигосахариды (до 10 моносахаридов): сахароза (сахар сырец), лактоза (молочный сахар), мальтоза (солодовый сахар)

? Полисахариды (с большой молекулярной массой): крахмал, гликоген, целлюлоза, инулин

? Гетерополисахариды, (смешанные углеводы со сложной структурой): гемицеллюлоза, пектины, лигнин – собствнно не является углеводом, но зачисляется анналитиками в группу углеводов. Он являет собой одеревянелое вещество растений и стойкий к разлагающему воздействию бактерий и кислотам. Принято считать, что лигнин не переваривается.

Углеводы расщепляются бактериями на простой сахар и разлагаются до низких жирных кислот (уксусная, масляная, пропионовая).

Количество образовавшихся кислот и процент содержания каждой отдельной кислоты зависит от состава углевода. Из процесса переваривания у жвачных парнокопытных (их желудок представляет собой не что иное как биогазовую установку с очень коротким периодом брожения,) известно, что богатые на крахмал и сахар субстраты ведут к возрастанию содержания пропионовой и масляной кислоты, в то время как целлюлоза, также богатый на волокна субстрат, меняет состав жирных кислот в сторону доминирования уксусной кислоты. Кроме того состав углеводов определяет уровень рН и количество живых микроорганизмов. Если пища содержит много крахмала и сахара, уровень рН уменьшается, уступая кислотной среде, количество бактерий быстро увеличивается. Это приводит к еще более быстрому разложению углеводов и возможному переокислнию ферментатора. [3].

При использовании субстратов с очень большим содержанием сахара или углеводов, каковыми например являются зерна пшеницы, кукурузы или сахарная свекла, то стоит особенно тщательно следить за подачей этих материалов. Это наверняка одна из причин, почему на практике не получило большого распространения чистое использование зерновых или сахарной свеклы. Обслуживание такого процесса на обычных одноступенчатых установках является просто слишком дорогостоящим.

Влияние субстрата на количество биогаза и образование биогаза. [3]

Точно в соответствии с процентом веществ каждой группы: протеинов, жиров и углеводов определяется выход газа и процент метана в биогазе (Рис. 148).

Рис. 50-3. Выход газа с разных видов субстратов

Выход газа с разных видов субстратов. Источник: разн. авторы

Максимальное количество метана в биогазе получаем из протеинов – 71 %; жиры также дают газ высокого качества с содержанием метана 68 %. Углеводы – лишь 50 % метана в газе. Хотя углеводы в целом вырабатывают на 90 литров больше биогаза чем протеины, из-за малого содержания метана, выход ограничивается лишь 400 литрами метана на кг органического сухого вещества. Сырой жир вырабатывает до 850 литров метана с килограмма сухого органического вещества – самый высокий выход метана, в то время как сырой протеин дает 490 литров метана из килограмма органического сухого вещества. Если исходить исключительно из выхода газа, предпочтение стоит предавать смесям субстратов с высоким содержанием жиров и протеинов.

Таким образом четко видно, что нет единого показателя выхода газа. В случае изменения состава смеси субстрата, колеблется также и выход газа, и его качество. Эта взаимозависимость отображена в больших колебаниях в данных по выходу газа для одного и того же субстрата (Рис. 148). [3].

Параметры, характеризующие процесс

Загрузка бродильной камеры

Под загрузкой бродильной камеры имеется ввиду то количество органической сухой субстанции, которая ежедневно будет подаваться в ферментатор. Обычно она указывается в килограммах органического сухого вещества на м³ обьема ферментатора в день. Размер возможной загрузки бродильной камеры зависит в первую очередь от выбраной температуры ферментирования и времени брожения. Чем ниже температура и чем дальше время брожения, тем больше может быть степень загрузки ферментатора, тем больше органики может быть внесено. [3].

Загрузка бродильной камеры в зависимости от вида установки можно повысить до максимального уровня. Чем выше загрузка бродильной камеры, тем больше риск достичь граничних показателей разлагающих бактерий и тем самым перегрузить процесс. Поэтому на-до особенно внимательно относиться к работающим установкам, которые полностью загружены рабочим материалом.

На практике часто встречается загрузка ферментатора в 2–3 кг органического сухого веществами в день. Необходимо наблюдать не началось ли уменьшение выхода газа вследствие задежки развития бактерий. Если загрузка камеры для брожения составляет 4–5 кг органического сухого вещества, то производительность бактерий падает, что приводит к падению производства газа. Система считается перегруженной. В то время как нагрузка 1 кг органического сухого веществами проблем никаких не составляет.

Рис. 50-4. Выход биогаза с разных субстратов и их дисперсия [3].

Загрузка ферментатора выступает контрольным параметром загруженности установки. Ее уже надо учитывать при планировании и разработке параметров установки!

Проточным ферментаторам, выполненным в лежащей, горизонтальной форме из-за их вида приписывают намного большую нагрузку; в литературе можно найти данные до 10 кг органического сухого вещества/ м³ в день и более. Но при таком количестве надо быть осторожным! Если внимательно посмотреть на такую конструкцию, то мы увидим, что за ферментатором устанавливается еще дображиватель, собственно для увеличения бродильной камеры, тем самым уменьшая загрузку ферментатора.

Для горизонтальных установок также, в которых часть переброженого материала перемешивается со свежей порцией субстрата, следует учитывать разбавление субстрата. Из-за смешивания свежего и переброженого материала, он разбавляется и уменьшается содержание органического сухого вещества в общей массе.

Часто однако указывают лишь содержание внесенного материала как загрузку бродильной камеры.

Независимо от формы ферментера, рекомендуется загружать Ферментер меньше чем на 4 кг органического сухого вещества на м³ в день.

Загрузка бродильной камеры Br (Br = кг орган. СВ, подаваемого в день на м³ объема ферментера) вычисляется из ежедневно подаваемого количества субстрата, умноженного на процент органического вещества субстрата, разделенное на общий объем ферментера.

При данном объеме ферментера падает время брожения, если увеличивается количество ежедневно подаваемого субстрата.

Вследствие этого бактериям остается меньше времени на разложение материала и в худшем случае из установки будет выходить неразложенный материал. Нагрузка бродильной камеры и время брожения должны быть поэтому согласованы между собой.

Время брожения [3]

Гидравлическое время брожения – это время, которое субстрат теоретически пребывает в ферментере. Для ферментеров с полным смешиванием оно является рассчитываемой средней величиной. Для ферментера, в котором продвижение субстрата происходит как движение единого объема, теоретическое время более точно соответствует фактическому времени брожения, поскольку исходят из того, что большая часть внесенного субстрата проталкивается через весь ферментер как единый объем. Поэтому одни и те же субстраты требуют в системе полного смешивания более длительного времени брожения, чем в системах горизонтального протекания.

Время брожения субстрата в ферментере рассчитывается исходя из скорости разложения субстрата. Легко разлагаемые требуют более короткого времени нежели тяжело поддающиеся разложению субстраты.

В качестве единицы измерения для минимального времени разложения в ферментере служит время генерации соответствующего вида бактерий. Потому что, если время для брожения будет выбрано настолько коротким, что они не успеют удвоить своей бактериальной массы, то соответственно теряется и нетто масса бактерий в ферментере и падает газообразование. Вот некоторые группы бактерий для удвоения своей бактериальной массы требуют до 10 дней, то есть этот промежуток времени и является нижней границей необходимого времени для брожения.

Верхняя граница времени для брожения определяется техническим и экономическим видением. Настает такой момент, когда количества вырабатываемого газа так мало, что увеличение объема ферментатора будет дороже чем добытый.

Время брожения субстрата в ферментере вместе с температурой брожения имеет большое влияние на степень разложения, выход газа и добычу газа. Краткое время брожения приводит к сильному фугасному действию (в соотношении на м³ бродильной камеры), поскольку в первую очередь разлагаются легко поддающиеся субстраты. Но если посмотреть на все количество подаваемого органического субстрата, то короткое время брожения связано с плохим выходом газа (в отношении к кг орган. СВ) и с незначительной степенью разложения. При длительном времени разложения, наоборот увеличиваются добыча газа и степень разложения, а фугасное действие на м³ ферментера уменьшается. Существует большая разница между субстратами, происходящими от разных животных. Птичий помет в термофильном режиме уже при 30 днях брожения считается значительно „потерявшим свои газообразующие свойства", в то время, как жидкий навоз скота и свиней для этого требуют около 40 дней, а твердый навоз – 50 дней. Больше всего газа образуется на начальном этапе брожения, в то время, как на конечном этапе лишь небольшое количество. На практике отказываются от самых последних стадий с незначительным процентом добычи газа.

Похожая зависимость при брожении энергетических растений и других органических остатков.

Время брожения рассчитывается путем деления объема бродильной камеры на ежедневно подаваемое количество субстрата.

Среднее время брожения в ФРГ с 1985 г. возросло с 35 до 51 дня. Эти данные получены после внедрения федеративной программы по измерению длительности брожения на биогазовых установках, хотя в 2004 г. показатели были еще выше. Согласно этим исследованиям 55 % установок работают в среднем с периодом брожения от 60 до 120 дней.

БЭХШ

Конечно же с экономической точки зрения целесообразно, рассчитывать время брожения и связанный с этим размер ферментатора как можно точнее, поскольку это напрямую связано с затратами на строительство. И все-таки время брожения надо выбирать так, чтобы:

• загрузка ферментатора не превышала 4 кг орган. СВ/м³-день,

• изменения в составе и количестве субстрата оставались в определенных пределах и

• чтобы для установки оставался потенциал для расширения.

Поэтому при расчете размеров ферментатора надо учитывать

дополнительных 20 % размера резервуара.

Для субстратов, которые быстро разлагаются и склонны к быстрому кислотообразованию и для субстратов с высоким содержанием азота и способных вызвать аммиачное ингибирование в развитии бактерий, необходимо учитывать более длительное время брожения.

Для субстрата в виде жидкого навоза предварительно действуют такие сроки брожения:

• 20 – 25 °C процессуальная температура, 60 – 80 дней брожения

• 30 – 35 °C процессуальная температура, 30 – 50 дней брожения

• 45 – 55 °C процессуальная температура, 15 – 25 дней брожения.

Для энергетических растений время брожения в ферментере должно составлять как минимум 42 дня. Субстраты, происходящие из отходов переработки агропромышленности, как правило имеют более короткий период брожения от 20 до 35 дней.

По мнению немецких специалистов минимальный срок 50 дней для сельскохозяйственной практики вполне реалистичен. [3].

Необходимо подчеркнуть, что вышеуказанные технологические режимы метангенерации, предлагаемые немецкими специалистами, в значительной степени определяются льготными экономическими условиями и более высокими ценами на традиционные энергоносители.

В СССР, начиная с 60-ти десятых годов ХХ века при разработке технологий и технологических режимов метангенерации отходов перерабатывающей промышленности, отходов животноводства и птицеводства с целью сокращения объемов капитальных затрат на разработку и строительство биогазовых установок и станций и повышения рентабельности стремились к сокращению времени гидравлического удерживания субстрата в метантенках. Для термофильных режимов устанавливались сроки в зависимости от механохимических свойств сырья от 5 до 10 суток, для мезофильных режимов от 20 до 30 суток.[2].

Степень разложения[3]

Степень разложения указывает, какой процент органического сухого вещества разложился в пределах заданного времени брожения. Полное разложение до состояния минерализации теоретически возможен только тогда, когда субстрат не содержит лигнина. На практике полное разложение требовало бы очень длинного периода брожения, поскольку скорость разложения не всегда остается одинаковой, наоборот, после прохождения начального этапа, она начинает заметно снижаться, соответственно и газообразование. Это значит, что последние проценты от общего количества добытого газа будут стоить высоких затрат (объем резервуара). Высокая степень разложения зависит от состава субстрата, отображает производство газа и к ней стоит стремиться. На практике наблюдается разложение на уровне от 30 до 70 %. В среднем для среднего периода брожения разложение органических веществ будет составлять до 60 %. Установки, работающие исключительно на возобновляемом сырье достигают степени разложения от 80 % органической сухой массы.

50.1.4. Контроль и управление процессом. [3]

Поскольку производство биогаза протекает в закрытой системе, то возникает зависимость от внешних признаков определения правильности протекания процессов ферментатора.

Для биогазовых установок, в которых произведенный газ с помощью генератора преобразовывают в электроэнергию, индикатором может являться поточное производимое его количество. Такие установки разарабатываются под определенную мощность генерирующего устройства. Если вырабатывается постоянное количество тока, то установка работает хорошо. В этом смысле можно также предпринимать определенные меры по оптимизации, таковыми могут являться, например согласование работы отдельных агрегатов между собой с учетом потребляемой ими электроэнергии, оптимизация профилактических ремонтных работ с соответствующим понижением расходных материалов, субстратменеджмент, начинающийся с последовательности подачи, выборе сортов, консервировании и согласовании групп материалов между собой.

Но перед тем как заняться этапом оптимизации установки, необходимо достичь стабильного процесса работы. Высокое постоянное производство газа с небольшими ежедневными колебанииями является первым знаком стабильности процесса. В самом простом случае стабильный и равномерный процесс можно определить по постоянной наполненности газгольдера.

Еще одной возможностью для контроля является сравнение количества выработанного биогаза по сравнению с количеством, которое должен был дать субстрат вследствие расчетов. Если соотнести это производство газа с количеством ежедневно подаваемого органического субстрата (оСВ/день), то получим выход биогаза для конкретной установки.

Специфическое производство газа, выраженное в м³ биогаза на м³ объема ферментатора в день, может выступать контрольным параметром для конкретной установки.

Если эти параметры производительности будут стабильными, то процесс протекает стабильно, хотя они и не дают нам информации о качестве газа.

Если сделать пропорцию между вырабатываемым количеством электроэнергии и количеством переработанного газа, то можно дать оценку качества газа. Поскольку, если количество тока падает при том же уровне потребления газа, то это связано с плохим качеством биогаза (если конечно исключить технические поломки в генераторе).

Если количество ежедневно производимого газа слишком низкое, то причина этого кроется либо в субстрате, либо в используемой технике.

Со стороны субстрата есть только четыре фактора, влияющих на снижение либо очень низкое количество вырабатываемого газа:

1. неправильный состав субстрата (переокисление из-за содержания, как правило, слишком большого количества легко разлагаемого субстрата либо через задержки вызванные азотом, если смесь содержит много азота),

2. слишком большая загрузка ферментатора (перекармливание),

3. слишком мало субстрата (недокармливание)

4. недостаток питательных веществ либо присутствие вредных веществ.

Только после полной уверенности в исключении влияния 1–3 факторов, стоит заниматься исследованиями на возможное присутствие таких специфических факторов микроэлементы или вредные вещества. [3].

С технической точки зрения, факторами, влияющими на производство газа чаще всего становятся системы подачи, мешалки и температура.

Чтобы контролировать и регулировать протекание процесса, необходимо, замерить некоторые параметры и задокументировать их. К этому особенно относятся такие параметры:

• температура субстрата в ферментере,

• количество произведенного газа и электричества,

• вид и количество ежедневно подаваемых субстратов,

• ежедневные измерения уровня серы и аммиака необходимо для определенных субстратов либо при изменении состава смеси субстрата.

• регулярный контроль загрузки ферментатора и времени брожения

• регулярное замерение образования жирных кислот либо буферного резерва, либо концентрации ионов H+ в газе, особенно при изменении состава смеси субстрата.

При учете этих параметров, можно контролировать либо рассчитывать все важнейшие характеристики процесса, относящиеся к производству газа и электроэнергии: загрузка ферментера, время брожения, температура, качество газа, концентрация серы и азота. При этом помогают не одни только данные, но и тенденции, показывающие в каком направлении развивается процесс. Для учета и расчета этих параметров существуют специально для этого разработанные компъютерные программы, облегчающие контроль за предприятием.

Ниже перечислены мероприятия по поддержке стабильного течения процесса, которые уже упоминались ранее:

• температура субстрата в ферментере должна соблюдаться как можно точно и должна регулироваться с помощью термостата

• равномерная подача субстрата

• избегать подачи больших порций холодного субстрата

• изменения состава субстрата производить медленно и пошагово; это же касается и изменения рациона питания животных

• избегать подачи замедляющих развитие веществ в большой концентрации

• достаточно частое и длительное перемешивание; если во время и после перемешивания образовывается слишком большое количество газа, это указывает на недостаточное перемешивание.

Состав и качество биогаза [3]

Поскольку только метан поставляет энергию из биогаза, целесообразно, для описания качества газа, выхода газа и количества газа все относить к метану, с его нормируемыми показателями. Объем газов зависит от температуры и давления. Высокие температуры приводят к растяжению газа и к уменьшаемому вместе с объемом уровню калорийности и наоборот. Кроме того при возрастании влажности калорийность газа также снижается. Чтобы выход газа можно было сравнить между собой, необходимо их соотносить с нормальным состоянием (температура 0 °C, атмосферное давление 1,01325 bar, относительная влажность газа 0 %). В целом данные о производстве газа выражают в литрах (л) или м³ метана на кг oрганического сухого вещества (оСВ), это намного точнее и красноречивее нежели данные в м³ биогаза в м³ свежего субстрата.

Качество биогаза определяется в первую очередь содержанием метана либо соотношением горючего метана (CH₄) к „бесполезной" двуокиси углерода (СО₂). Двуокись углерода разбавляет биогаз и вызывает потери при его хранении. Поэтому важно стремиться к высокому содержанию метана и как можно низкому содержанию двуокиси углерода.

Достигаемое обычно содержание метана колеблется между 50 и 75 %. Содержание метана в биогазе в первую очередь определяется следующими критериями:

• Ведение процесса: в то время как в одноступенчатых биогазовых установка весь процесс анаэробного разложения происходит в одном ферментаторе, одним этапом, и таким образом весь газ выделяется как смесь газов, в двуступенчатых установках, выработанный на 1. этапе газ, состоит в большой степени из двуокиси углерода и других энергетически малоценных газов, выводящихся в окружающую среду. Вырабатываемый на 2. этапе газ имеет высокий процент содержания метана, который может составлять и более 80 %.

• Состав питательных веществ субстрата. Количество и качество произведенного биогаза зависит от количества внесенных веществ и их состава. Протеины и жиры имеют более высокое содержание метана. Для богатых на углеводы субстратов, как например кукуруза можно рассчитывать на содержание метана в среднем 53 %.

• Температура субстрата: на практике оказалось, что при высокой температуре ферментера выход метана более плохой, чем при низких температурах. Это зависит от растворимости и образования диоксида углерода. Чем большее количество СО₂ перейдет в газообразную форму, тем меньшей будет процентная доля CH₄ в биогазе.

После метана и двуокиси углерода, сероводород (H2S) является важнейшей составляющей газа. Сероводород очень агрессивен и вызывает коррозию, что в первую очередь вызывает проблемы с арматурой, газовыми счетчиками, горелками и двигателями. Поэтому необходимо очищать биогаз от серы. Очищенный от серы биогаз почти не имеет запаха. [3].

В СССР при оценке состава образующегося биогаза при термофильном метановом брожении отходов птицеводства и животноводства впервые в практике было установлено полное отсутствие сероводорода в газе. [2].

50.1.5. Органические удобрения, получаемые в крестьянском/фермерском хозяйстве (местные удобрения) [3]

Жидкий навоз являет собой смесь из помета и мочи животных.

Твердый навоз: при содержании племенных коров, телят, свиноматок, коней, овец и коз или на предприятиях, ведущих деятельность по экологическим принципам, для стойлового содержания не используют решетчатый пол, таким образом, образуется комкообразный навоз. Жидкий навоз и твердый навоз с рабочей поверхности (шлам, содержащий кал, мочу и воду с бетонированных поверхностей кормушек и канавок) особенно хорошо подходит для биогазовых установок.

Навоз стойлового содержания представляет собой смесь кала и мочи скота, перемешанный с соломой. Образуется на наклонной поверхности, на которую сверху подают солому. Из-за движения животных слой навоза толщиной 30–70 см скачивается вниз на открытую поверхность. Смесь кала и мочи с помощью фронтального погрузчика или шибера вывозится из стойла. В зависимости от количества подстилки, которая составляет 2–6 кг/голов скота в день, консистенция такой смеси колеблется от густого до твердого состояния. В такой смеси у молочного скота содержание СВ составляет 14,5-24,7 %. Такой навоз без проблем можно компостировать лишь при большом количестве содержания подстилки. Навоз с небольшим количеством подстилки можно перерабатывать в биогазовых установках с хорошими мешалками.

При большом количестве подстилки необходимо предпринимать меры по разбавлению: смешивание с водой, навозной жижей или жидким гноем в резервуаре предварительного содержания с режущим миксером. Солома еще до покрытия пола стойла должна быть измельчена до 10 см. Это необходимо делать еще при сборе урожая с помощью специальной измельчающей техники.

Твердый навоз “образуется” при традиционном способе содержания животных в коровниках со стойлами с подстилкой при использовании соломы в количестве от 2 до 12 кг на голову РС в день.

Состав жидкого и твердого навоза зависит в первую очередь от вида животных, от цели их содержания, от вида стойла и продуктивности, а также от кормления, от потерь аммиака и воды через испарение, от использования подстилки, остатков корма, атмосферных осадков и использованной для очистки воды.

Сухая субстанция и органическая сухая субстанция[3]

Существует большая разница между жидким навозом скота и свиней, пометом кур, а так-же большие колебания в отдельных параметрах (Таблица…).

Но можно сделать и некоторые обобщения: навоз свиней имеет низкий, навоз скота имеет средний, а птичий помет имеет высокий процент содержания сухого вещества. Важное для выхода биогаза содержание органической сухой субстанции (оСВ) в курином помете в среднем выше, чем в навозе скота и свиней. Низкое содержание оСВ получается вследствие попадания глины и песка в корм, а также пыли с бетонных поверхностей. Эти вещества имеют склонность к образованию осадков в ферментаторе и резервуаре для хранения.

Уровень pH[3]

Уровень pH (уровень кислотности) свиного навоза несколько ниже чем навоза скота, в то время как куриный помет имеет самый высокий уровень pH (содержит мел).

Содержание сырых волокон

По содержанию сырых волокон (клетчатки), вследствие рациона их больше всего содержится в навозе скота. Сырые волокна можно хорошо разложить лишь после длительного брожения. Менее значительными является различие в содержании сырого протеина и NFE (NFE = азотнесодержащие экстракты = такие углеводы как крахмал и сахар). Оба эти вида веществ хорошо разлагаются микроорганизмами. Сырой протеин отвечает за содержание сероводорода в биогазе. Высокое содержание сырого протеина часто связано со слишком богатой на белок пищей. Азот хотя метановым бактериям и не нужен для производства газа, но нужен для образования их собственной клеточной субстанции (белка).

Сырой жир

По уровню содержания сырого жира свиной навоз имеет однозначно самые высокие показатели. Поскольку жир из-за высокого содержания энергии и быстрого разложения имеет очень высокий выход газа, можно предположить, что свиной навоз лучше подходит для производства биогаза, чем куриный помет и навоз скота. К сожалению это преимущество более чем сглаживается в основном низким содержанием СВ и высоким содержанием воды.

Выход газа

Ориентировочные данные по выходу газа из разных видов сырья приведены в Таблице 50–35. Навоз скота имеет самые плохие показатели по выходу газа. Крупный рогатый скот, как жвачные животные, благодаря особой флоре желудка, содержащей среди прочих и метановые бактерии, а также длинному кишечному тракту и сильному измельчению легко перевариваемых веществ, потребляет существенное количество серой клетчатки. Этот недостаток навоза скота выравнивается, однако, высоким содержанием сухой субстанции.

Свинья, как и человек, известна своим плохим перевариванием корма, что вызвано однокамерным желудком и коротким кишечником. Поэтому выход газа существенно выше чем у скота из-за того, что навоз содержит множество непереваренных питательных веществ. Куры, как и все птицы являются моногостритными, имеют короткие органы пищеварения. Переваривание является неполным. В помете содержится еще большое количество разлагаемых субстанций. Поэтому помет дает самый большой выход газа. В первую очередь он настолько богат сухой массой, что, как правило, его необходимо разбавлять водой. Высокое содержание N может вызвать проблемы с биологическим процессом.

Смесь навоза скота, свиней и кур помогает избежать недостатки кала отдельных видов животных. Некоторые биогазовые установки в Германии на этом успешно работают. Вследствие специализации в сельском хозяйстве многие биогазовые установки загружаются навозом одного вида животных; в основном это скот (молочные коровы, мясные быки, молодняк скота). Меньшее количество установок работает на навозе откормочных свиней, и лишь несколько потребляют куриный помет. [3].

Возобновляемое сырье – энергетические растения[3]

С использованием растительных культур в биогазовых установках, сельскохозяйственное производство получило совершенно новое направление: если раньше сельское хозяйство в Германии и Европе занималось производством продуктов питания и корма, то сейчас все большее количество площадей отдаются под энергетические растения, используемые в биогазовых установках. Часто выращивание энергетических растений считают отдельной отраслью производства и для некоторых фермеров она является главным источником дохода.

В качестве энергетических растений, пригодных для использования в биогазовых установках, в принципе, могут выступать лишь несколько видов выращиваемых на полях культур. В реальности в основном речь идет о тех культурах, которые после переработки в биогазовых установках приобретают более высокую рыночную стоимость. В качестве энергетических растений используют преимущественно перечисленные на Изображении 3.2. Установки, использующие лишь возобновляемое сыръе и навоз для выработки электроэнергии, получают за выработанную электроэнергию финансовое поощрение. Чтобы отбросить все сомнения, что подразумевается под понятием возобновляемого сыръя как это изложено в Законе о возобновляемых источниках энергии, на домашней электронной странице «Отраслевого объединения биогазовой техники» («Fachverband Biogas e.V.», www. biogas.org), так называемый одобренный список тех культур, за которые предусматривается бонус.

Выход биогаза[3]

Выход биогаза из органических отходов.

С точки зрения выхода газа лучший результат дают субстраты с высокой концентрацией энергии: отходы зерна, свекла и картофель (Рис. 45-150). Выход метана, достигаемый с их помощью может доходить до 350 – 380 л/кг органического сухого субстрата. Кроме этого есть большая группа, состоящая из свежей травы, ботвы свеклы, силоса травы, кукурузы и зерновых растений, выход метана из которых составляет от 270 до 330 л/кг органического сухого субстрата. Самый малый выход газа ниже 200 л/кг органического сухого субстрата имеет солома. Таким образом ее можно сравнить с навозом скота.

В целом, энергетические растения имеют скорее малые колебания, так что обобщая, теоретический выход газа из энергетических растений будет составлять 300 л метана на кг органического сухого субстрата с колебанием ±30 %.

Таблица 50-8

Состав и выход биогаза из органических отходов [3].

Рис. 50-5. Растения, наиболее подходящие для брожения и выход газа из них. [3]

Таблица 50-9

Сырой протеин и содержание азота в разных видах энергетических растений. [3]

Таблица 50-10

Оптимальные комбинации растений С3 и С4 [3].

Таблица 50-11

Характеристики растений групп С3 и С4. [3]

В такой системе использования двух культур нет предела для комбинационных возможностей. Первичные культуры (озимые сорта зерновых, озимые бобовые, озимые сорта рапса) собирают как правило на стадии молочной зрелости, таким образом до середины июня вплоть до начала июля можно выращивать второй урожай (кукуруза, подсолнух, фазелия, летние сорта злаков и т д.). Через ранний сбор первого урожая не могут размножиться многие сорняки, что помогает отказаться от использования гербицидов. Уже имеющиеся сорняки помогают даже приумножить выход сухого вещества. Такая комбинированность урожаев помогает получить выход сухого вещества от приблизительно 250 центнеров/га и даже при плохих условиях при достаточном количестве осадков имеет преимущество перед кукурузой. В качестве лучших культур для первого урожая выступают озимые зерновые. Ячмень, рожь и тритикале имеют свои преимущества перед пшеницей из-за ранней зрелости.

В этом направлении сельскохозяйственные исследования находятся еще в своей начальной стадии. Стоит рассчитывать на то, что благодаря селекционной работе удастся достичь существенного повышения потенциала образования биомасс.

Брожение барды от сельскохозяйственных винокурен[3]

Спиртовые барды относятся к «чистым» отходам, но в ФРГ при брожении барды от сельскохозяйственных винокурен вместе с другими возобновляемыми видами сырья она попадает под дотации для энергии из возобновляемых источников, что являет собой оптимальное сочетание между сельскохозяйственным производством алкоголя и производством биогаза.

Таблица 50-12

Содержание тяжелых металлов в органических отходах и граничные показатели по классификации для очистных сооружений. [3]

Барда является отходом при производстве алкоголя. В зависимости от исходного материала, из которого производят алкоголь, разделяют зерновую, картофельную или фруктовую барду. (в СССР в огромных количествах была мелассная барда – меласса отход сахарного производства использовалась как основное сырья для производства спиртов: этанола, бутанола, ацетона). Барда отличается очень низким содержанием сухого вещества, ниже 5 %. (В СССР мелассная барда содержала 8 % с.в.). Из m3 такого субстрата поэтому получается более низкий выход газа, при одновременной потребности наличия большого ферментатора. На килограмм органического сухого субстрата выход метана будет от 250 до 350 литров, что соотносимо с выходом от возобновляемых источников энергии. (В СССР на кг органического вещества ацетоно-бутиловой мелассной барды выход биогаза составлял до 600 литров).

Если проанализировать, что из 900 спиртовых производств закрытого типа в Германии, 800 производят менее чем 700 куб. м в год, то есть являются очень маленькими спиртзаводами и 70 % ферментационного алкоголя производится на сельскохозяйственных спиртзаводах, можно сделать вывод, что здесь еще закрыт огромный неиспользованный потенциал для сельскохозяйственного производства биогаза.

Содержание тяжелых металлов (в мг/кг СВ) в органических отходах и граничные показатели по классификации для очистных сооружений. (Табл.50–38)Органические отходы[3]

Характеристики субстратов

Органические отходы принципиально подходят для брожения и коферментации в сочетании с экскрементами животных. Особенно для очень односторонне с точки зрения веществ составленных субстратов, состоящих из ферментирующихся в отдельности субстратов – так называемые моносубстраты, как например глюкоза от промышленной переработки, для стабильной ферментации рекомендовано использовать навоз как „базовый субстрат". Существенным условием именно для брожения моносубстратов является полное обеспечение сложного комплекса микроорганизмов всеми необходимыми для жизни питательными веществами и микроэлементами.

Содержание питательных и вредных веществ

Содержание питательных и вредных веществ необходимо указывать уже при планировании установки и перед решением о использовании того или иного органического отхода или отброса, необходимо также требовать такие данные анализов при получении заказа. Если не брать во внимание исключений (например спиртовая барда, пивная дробина и др.), то вредные и питательные вещества в отходах, в зависимости от их происхождения, могут очень отличаться. (Табл. 45–38)

Таблица 50-13

Оценочные характеристики органических отходов (отдельные исследования). [3]

*) киловатт = очищенная нефть = S твердые жиры и растительные жиры; СС = свежий субстрат

Отходы продуктов питания и биоотходы, напротив претерпевают сильные сезонные колебания в зависимости от происхождения и могут содержать большее или меньшее количество примесей и вредных веществ.[3]

Подраздел пятый

Глава 51. Новые технологии и виды сырья для получения биогаза

Приведенные выше оценки по переработке органических отходов в биогаз показывают, что даже при полной переработке отходов в различные виды топлива они смогут в среднем только на 5 – 10 % обеспечить потребности в энергии.

Постоянно возрастающий дефицит топлива требует увеличения доли видов топлива, полученных методами биоконверсии, но для этого необходимы поиски новых крупномас-штабных источников биомассы, которая при весьма незначительной предварительной обработке могла бы легко конвертироваться в газообразное биотопливо – биометан, и как наиболее экологически чистое, и как топливо с широким диапазоном применения.

С этой точки зрения биомассу можно разделить на две большие группы:

1. биомасса, которая по ряду причин не могла быть включена в непосредственное использование для получения топлива, например твердые органические отходы, или такие виды биомассы, как торф, остаточная нефть.

2. различные виды биомассы, как непосредственные продукты фотосинтеза: лесная древесина, кустарники, многолетние травы, пресноводные и морские водоросли и растения.

Современные исследования показывают, что при определенном совершенствовании технологий получения топлив биоконверсией, указанные выше виды биомассы могут стать конкурентоспособным сырьем для производства топлива.

51.1. Конверсия твердых органических веществ в биогаз, или твердофазная метангенерация

Это новое фундаментальное и прикладное направление, возникшее в последние годы. Ранее существовало мнение, что процесс метангенерации может протекать только в жидкой фазе при содержании сухих веществ в сырье не более 10–12 процентов. Такая точка зрения надолго задержала развитие исследований по метангенерации твердых органических веществ и фундаментальных и прикладных аспектов твердофазной метангенерации. Однако практика переработки городского мусора [213] и некоторые исследования особенностей метангенерирующих консорциумов [125]показали, что метангенерация может быть осуществлена и при влажности 30–40 %. Причем распределение влаги должно быть таким, чтобы оставались микропоры для интенсивного газового обмена. Основное требование к твердофазной метангенерации – процессы должны протекать в анаэробных условиях. В экспериментах это создается замещением воздуха инертными газами, на практике – за счет предварительного развития аэробной микрофлоры, поглощающей кислород и осуществляющей первый этап окисления твердых сложных биологических полимеров. Поэтому в промышленных условиях эти процессы необходимо контролировать, поддерживая необходимую влажность и периодически вводя воздух для осуществления первого этапа окисления. Одновременно окисление вызывает экзотермические процессы, позволяющие повысить температуру брожения.

Имеющийся практический опыт (Венгерские фирмы «Конструмекс» и «Биотех», 1983–1985 гг., см. ниже) может быть положен в основу создания технологий и оборудования по деструкции твердых органических веществ с образованием тепловой энергии и биогаза. Технологический процесс может быть непрерывным и происходит следующим образом:

1. В первую камеру вертикально размещенного реактора объемом, равным суточной загрузке сырья, сверху загружается перерабатываемый твердый субстрат органических веществ размером 1–2 см. Скорость загрузки определяется скоростями деградации органических веществ. В верхней части реактора протекают интенсивные бактериально-окислительные процессы, в результате которых поглощается кислород и создаются анаэробные условия с одновременным повышением температуры бродящей массы.

Процесс окисления должен лишь частично разрушать органическое вещество, переводя его в форму, более доступную для деградации метаногенными биоценозами.

2. Подготовленный субстрат посредством шнекового транспортера при соблюдении анаэробных условий подается в верхнюю часть твердофазного биореактора-метантенка, в котором и протекает метаногенез с образованием биогаза-биометана.

51.2. Переработка городского мусора

Как уже отмечалось выше, это направление возникло недавно, но уже нашло практическое применение.

В ряде стран Западной Европы и в США для промышленного получения биогаза активно используется переработка твердого городского мусора на полигонах, в мусорных буртах или траншеях, которые закрываются герметически полимерной пленкой, либо заливаются глинистым раствором или асфальтом. В них сверлятся шурфы, по одним в пласт мусора периодически подаются вода и небольшие количества воздуха, необходимые для поддержания определенной влажности для процессов гидролиза и метангенерация, воздух – для осуществления первого окислительного этапа деструкции биополимеров и образования за счет этих процессов тепловой энергии, что позволяет поддерживать температуру процесса на уровне 30 – 40 °C., по другим откачивается образовавшийся биогаз [215]. В США при ряде крупных городов такие примитивные газогенераторные станции производят в год до 100 млн. м³ биогаза каждая, а шлам после ферментации можно использовать как ценное органическое удобрение [214].

Рис. 51-1. Схема закладки органической составляющей ТБО в земляные карты и получения биометана.[216]

В г. Майами, штат Флорида, эксплуатируется метангнерирующая установка, перерабатывающая до 100 т/сут твердых городских отходов [217]. В Нью-Йорке эксплуатируется биогазовая станция на городской свалке. Рабочая площадь станции 162 тыс. м2, она имеет 4 скважины глубиной 12 м, скорость откачки биогаза 4,65 м³/мин. Газ содержит 59 % метана, 39 % CO₂» до 2 % азота. На биогазе работает газогенератор мощностью 100 кВт [214].

Естественное разложение материалов ТБО, собранных на мусорных полигонах, продуцирует больше биометана, чем любой другой источник в US1. Около половины выделяемого газа на свалках является метан, эти газы имеют около половины энергетического потенциала природного газа..

Подготовка 100 тысячно тонных полигонов для производства энергии может повлечь за собой первоначальные капитальные затраты в размере $ 600 000 до $ 750 000 или более и эксплуатационные расходы в размере $ 40 000 до $ 50 000 в год. Прочие расходы включают в себя оплату юридических услуг, получение разрешений, экологической экспертизы и другие расходы, связанные с поддержанием landfill.3 Их долгосрочные экономические и экологические последствия, однако, трудно определить, потому что свалки могут загрязнять воздух, землю и воду, если они инженерно грамотно не управляется.[218].

Рис. 50-2. Карта размещения мусорных полигонов для производства лендфилл-газа в США [218].

450 прогнозируемых свалок (мощность 850 МВт и 554600 ст. куб. м/сутки, 36 млн. тонн эквивалента CO₂ в год).

Эти данные взяты из базы данных прогнозируемой программы метана лендфилл-газа по состоянию на 16 июля 2013

Рис. 51-3. Схема производства биодизеля из лендфилл-газа, штат Техас, США.[219, 220].

В Швеции [215] разработан проект метангенерирующей станции, перерабатывающей городские твердые отходы городов с населением, более 10 тыс. чел.

Завод быстрой метангенерации для города с населением более 100 тыс. чел. представлен: I) приемной камерой, где разгружаются мусорные трайлеры; 2) мощной, высокопроизводительной дробилкой; 3) камерой для отделения металла и других неорганических материалов; 4) аппаратом для смешивания твердых отходов с активным илом; 5) мощными реакторами вертикального типа, в верхнюю часть которых непрерывно издается сырье; 6) газопроводом; 7) бункером для отгрузки сброженной массы. После ферментации шлам содержит до 10 % твердых отходов, время удерживания 25 сут. Общее количество электроэнергии, которое можно получить из биогаза при обработке I т мусора, составляет 2000 кВт/ч.

Рис. 51-4. Оперативное здание для сбора и перекачки лендфилл-газа(Швеция).

Разработан также проект завода медленной метангенерации для городов с населением 30 – 100 тыс. чел. Сырье содержит 20 – 40 % сухих веществ, ферментация осуществляется в специальных бетонных или каменных траншеях. Время удерживания от I до 3 лет. Сырье засыпается сверху, образующийся газ отводится по перфорированным трубам-скважинам. Выход электроэнергии 1800 кВт/ч на I т. Стоимость обработки I т такого сырья 5,5 долл.

Вышеуказанные проекты были рассчитаны на основании эксплуатации пилотной установки с реактором объемом 20 м³. Время удерживания 25 сут. Степень распада 1,5 кг летучих веществ на м³/сут, выход метана 0,25 м³/кг летучих веществ или 0,17 м³ на кг сумммарного количества сухих веществ, содержание метана в биогазе 55 %. Концентрация сухих веществ в реакторе 34 – 38 %.

ФРГ

Рис. 51-5. Закрытый мусорный полигон Werderberg в Саксонии-Ангальт был заполнен отходами с 1976 до 2005 года. Полигон занимает площадь около 7 гектаров и имеет общий объем около 830 000 кубических метров (м ³).

Газовые скважины были построены в соответствии с методом DEPO ®, который отфильтровывают на глубине.

Рис. 51-5. Крупнейшая фотоэлектрическая станция в графстве Rheingau-Taunus была построен на территории полигона в районе Orlen в городе Taunusstein в 2009 году за 2,2 миллиона евро. (ФРГ).

В Австралии подобные процессы успешно используются для переработки твердых фруктовых отходов [217] в реакторе объемом 23 м³ органические вещества перемешиваются газ-лифтом со скоростью 20 л/мин. Органические вещества разрушаются на 80 – 96 %. Скорость загрузки 0,9 – 2,6 кг/м³ в сутки. Закваска – активный ил. Источник азота – отходы свиноводства или птицеводства.

Количество образующейся энергии в виде биогаза в 1,6 – 2,7 раза превышает затрачиваемую энергию. Общий выход газа в сутки 32 м³, или на каждый кубический метр реактора в сутки образуется до 1,5 м³ биогаза.

Южно– Африканская Республика

Рис. 51-6. Электростанция на лендфилл-газе на Bisasar полигона Road, муниципалитет Этеквини. ЮАР. [221

КИТАЙ

Рис. 51-7. Электростанция на лендфилл-газу в провинции Fujian, КНР.

51.3. Переработка сельскохозяйственных отходов

Существенный шаг вперед в разработке научно обоснованной технологии твердофазной метангенерации и использовании этого процесса в промышленных масштабах в сельском хозяйстве был сделан учеными и специалистами Венгерской Народной Республики (90) Университет сельско-хозяйственных наук в г. Геделе фирма «Konstrumex» и кооператив " Dozsa”. За счет использования биогаза хозяйство экономит в год до 500 т условного топлива. Установка батарейного типа имеет 4 реактора объемом по 600 м³.

Венгрия. 1986 г. Биогазовая станция в с/х кооперативе под г. Будапештом по переработке подстилочного навоза от 1200 голов КРС. Батарейная твердофазная метангенерация. (внешний вид).

В Институте биохимии имени А.Н.Баха АН СССР были проведены исследования по метангенерации бесподстилочного навоза-КРС при влажности 81 %. Процесс идет очень активно, содержание метана до 70 %, на 1 кг сухого сухого вещества образуется до 500 – 600 л газа /70/.

НПО "Солнце" АН Туркменской ССР совместно с Институтом биохимии им. А.Н. Баха АН СССР провели исследования по метангенерации отходов овцеводства пустынно-пастбищного содержания при влажности от 10 % до 90 %. По скоростям образования метана и влажности субстрата процесс был разделен на две стадии: "сухую" (влажность 10 – 60 %) и "влажную" (60 – 90 % влажности). Оптимальная влажность по суммарному образованию биогаза и метана приходилась на 60 – 70 %. Было установлено, что скорость образования метана и его концентрация в биогазе в пределах влажности от 10-до 60 % растет пропорционально увеличению содержания влаги в субстрате.

Также были проведены исследования, показавшие возможность метангенерации высококонцентрированных отходов птицеводства при содержании влаги в субстрате от 95 до 75 %. Получены положительные результаты по метангенерации отходов хлопководства – гузапаи.

51.4. Переработка высококонцентрированных осадков сточных вод

Наибольший интерес представляют результаты исследований, проведенных в Институте биохимии имени А.Н.Баха АН СССР совместно с Академией коммунального хозяйства имени Памфилова и Институтом химической физики им. Н.Н. Семенова АН СССР по метангенерации вязкотекучих гетерогенных органо-минеральных растворов на примере механически обезвоженных осадков городских сточных вод, содержащих до 65 – 75 % влаги и имеющих исходную вязкость 5–6 мПа-с.

Прежде всего было установлено, что указанные субстраты с такими характеристиками подвергаются метангенерации при температурах от 20 до 55 °C как за счет развития спонтанной микрофлоры, так и при инокулировании их метаногенными ассоциациями, развивающимися в промышленных реакторах. Термофильный режим повышал скорость метангенерации в 2–3 раза. На I г исходного сухого вещества образовывалось от 250 до 350 мл биогаза, содержавшего 60–65 % метана. С повышением концентрации сухих веществ и вязкости в субстрате время удерживания увеличивалось, повышался общий объем выделившегося биогаза, но снижались концентрация метана и выход биогаза на 1 г исходного сухого вещества.

Следует отметать, что увеличение времени удерживания неадекватно повышению концентрации сухих веществ в субстрате. При повышении последних от 3,0 до 25 %, т. е. в 8 раз, время удерживания увеличивалось в 2,5 – 3 раза. На 1 г сходного сухого вещества образовывалось от 250 до 350 мл биогаза, содержавшего 60 – 65 % метана. С повышением концентрации сухих веществ и вязкости в субстрате время удерживания увеличивалось, повышался общий объем выделившегося биогаза, но снижались концентрация метана и выход биогаза на 1 г исходного сухого вещества.

Метангенерация механически обезвоженных осадков городских сточных вод позволит приступить к разработке и созданию более прогрессивных безотходных технологий не только в коммунальном хозяйстве, но и в ряде отраслей сельскохозяйственного производства.

Научные основы твердофазной метангенерации еще не разработаны, имеющиеся газогенераторные свалки практически, неуправляемы, процессы протекают спонтанно. Развитие исследований в этой области окажет существенное влияние на производство биогаза из твердых органических отходов и других типов биомассы.

Например, только за счет конверсии в биогаз отходов растениеводства (соломы, стеблей кукурузы, ботвы), твердых отходов городов Россия сможет получить до 40 млрд. м³ биогаза (32 млн. ту.т.) в год.

В ряде стран приступили к исследованиям по получению биогаза при переработке хлопка на текстильных фабриках [222], а также из ольхи, эвкалипта, сосны, тополя, сикоморы, гузапаи. Частицы размельчаются до I мм. Лучшие результаты получены при использовании сикоморы, тополя и особенно гузапаи [223].

Создание научно обоснованных высокоинтенсивных технологий твердофазной метангенерации потребует не только разработки специальных реакторов, но и машин по сбору твердой биомассы и ее размельчению, оборудования для хранения этой массы.

51.5. Получение биогаза из торфа

Развитие фундаментальных и прикладных исследований в области твердофазной метангенерации позволит приступить к получению биогаза из торфа представляющего собой– частично разложившиеся растительные остатки. Содержание углерода достигает 50 – 60 %. По своей структуре торф относится к твердой биомассе, мировые запасы торфа составляют около 270-млрд. т (по сухому веществу), из них 100 млрд. т имеет Россия (93). Бактериальная газификация торфа может быть осуществлена по двум технологиям: жидкофазной, когда торф подается в реактор в виде пульпы, и твердо-фазной. Рациональная переработка торфа в биогаз потенциально позволит получить из имеющихся запасов до 30 10¹² куб. м биогаза и хорошие органоминеральные удобрения.

Бактериальная газификация торфа – это наиболее рациональный путь его использования как топлива, так как резко возрастает КПД использования его теплотворной способности. При обычных способах добычи и изготовления торфяных брикетов последние не могут транспортироваться далее, чем на 200 км, так как они подвергаются разрушению и превращаются в пыль.

Метангенерация торфа – проблема не из простых, но имеющиеся положительные результаты позволяют более оптимистично смотреть на ее возможное решение. Было показано, что в анаэробных условиях при 25 °C торфяники (штат Миннесота, США) образовывали 230 нмолей метана/г сухих веществ за I ч [224]. Институт газовой технологии (г. Чикаго, США) разработал новую концепцию переработки торфа в биогаз. Она включает 3 стадии: аэробную, анаэробную и метаногенную. Последняя протекает в реакторе. Процесс стабилен, экономиичен, легко управляем. Выход биогаза 80–85 % от теоретического. Метаногены иммобилизованы.

51.6. Бактериальная газификация остаточной нефти

Хорошо известно, что значительная часть нефти является продуктом физико-химической и биологической конверсии древней биомассы. Процессы созревания нефти сопровождались образованием метана как биологического, так и термокаталитического происхождения.

Разведанные запасы нефти составляют около 200 млрд. т, современные способы добычи позволяют получать лишь 40 – 50 % находящейся в пласте нефти, т. е. 100 млрд. т нефти останутся неиспользованными, если в ближайшие десятилетия не произойдет серьезных революционных изменений в технологии ее добычи.

В 40 – 50-х годах нашего столетия, исследуя микробиологические процессы, протекающие в нефтеносных пластах и пластовых водах, член-корреспондент АН СССР С.И.Кузнецов пришел к выводу о возможности бактериальной газификации остаточной нефти с целью получения метана и повышения ее дебита.

Эта идея в последние 15 – 20 лет получила широкое развитие, и уже предпринимаются первые шаги по созданию научно обоснованной биотехнологии газификации остаточной нефти. Проблема сложная и многоотраслевая, ее успешное решение внесет существенный вклад в энергетику.

В недрах остается более 70 % запасов нефти. С 1965 года нефтяники оставили под землей около 14 млрд тонн потенциально извлекаемых запасов, столько, сколько было добыто за всю историю нефтяной отрасли России. Современное решение проблемы увеличения дебита нефти посредством биогазовых технологий. 1976–1988 г. г… превышение добычи нефти составляло от 10 до 30 %. За эти годы в Татарии…было добыто более 700 тыс. тонн нефти. (Директор Института микробиологии РАН, академик РАН М. В. Иванов – ученик С.И. Кузнецова) (Рис 51-8).

Рис. 51-8. Схематическое изображение применения биогазовой технологии для повышения дебита нефти в законсервированных пластах.

51.7. Использование методов иммобилизации бактериальных ассоциаций для интенсификации процессов метангенерации

Широкое распространение процессов метангенерации в природе, особенности существования образующих метан бактериальных ассоциаций привели более десяти лет назад к постановке вопросов о возможности и даже необходимости функционирования этих микробных популяций в иммобилизованном состоянии.

Метаногенные ассоциации хорошо иммобилизуются и могут активно функционировать. Степень их активности в иммобилизованном состоянии во многом зависит от природы носителя [223].

В последние годы иммобилизованные метаногенные ассоциации стали широко применяться для промышленного получения метана при переработке жидких отходов.

Использование иммобилизованных метаногенных систем направлено прежде всего на резкое повышение скоростей процесса распада органических веществ, уменьшение времени удерживания субстратов в реакторе (цикличности) и соответственно уменьшение объемов метантенков и реакторов.

При существующих технологиях получения биогаза должна соблюдаться строгая зависимость между скоростью поступления сырья в реактор и скоростью размножения клеточных популяций. При превышении скорости протока над скоростью размножения клеток наступает эффект вымывания бактерий из реактора, что приводит к снижению скорости распада органических веществ и остановке процесса в целом.

С другой стороны, для поддержания нормальной скорости размножения клеток в реакторе поступающее сырье должно иметь определенную концентрацию органического вещества – не ниже 1,5 – 2 %. При более низкой плотности необходимо увеличивать скорости протока сырья через реактор, что приводит к взаимоисключающему эффекту, который может быть снят путем использования иммобилизованных метаногенных систем.

В качестве носителей используются различные, главным образом, минеральные материалы: керамика, кирпич, камни, стекло, и т. д. Системы применения носителей в реакторе также разные. Реакторы такого типа получили название "анаэробных фильтров", или реакторов второго поколения.

В Советском Союзе в свое время испытывались в качестве носителей «ерши Куликова», изготовленные из стекловолокна. Из них собираются рамы, устанавливаемые в реакторах. Полезная емкость таких "ершей" очень велика, поэтому концентрация иммобилизованных клеток на каждую единицу объема стекловолокна превышает концентрацию клеток в обычном реакторе. А увеличение концентрации клеток на единицу объема реактора приводит к значительному увеличению скорости разложения субстрата, что, в свою очередь, позволяет увеличить скорость поступления его в реактор.

Наиболее выгодно, применять иммобилизованные системы при переработке сточных вод с низким содержанием органических веществ.

В качестве носителей используются керамические и полипропиленовые кольца. Например, реактор объемом 114 м³, наполненный такими кольцами, нормально функциионирует при скорости протока 190 м³ в сутки [225]. В качестве носителей могут быть использованы и природные органические соединения, например солома, опилки и т. д., сами подвергающиеся медленному разрушению.

Использование иммобилизованных метаногенных ассоциаций – это новое фундаментальное прикладное направление в технической биоэнергетике, и его развитие особенно важно в связи с разработкой технологии твердофазной метангенерации.

51.8. Использование растительной биомассы для получения биогаза

Табл. 51-40

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПЛАНТАЦИИ (% от 120 млн. га) этанол, биодизель, биобутанол, биогаз

К новым перспективным направлениям в области развития промышленной биоэнергетики относится прямое использование специально выращиваемой растительной биомассы, или создание промышленных плантаций «энергетической» биомассы. Такие плантации создаются как на суше, так и в водной среде.

В качестве наземной растительной биомассы как сырья для получения биогаза рассматриваются: деревья, кустарники, многолетние травы, водоросли пресноводные и галофильные. Однако медленное воспроизводство лесной древесины (в среднем, 30 ц/га в год) серьезно ограничивает широкое применение этого сырья для биоэнергетики.

ЧТО ВЫГОДНЕЕ ДЛЯ ВНУТРЕННЕГО ПРИМЕНЕНИЯ В ОТЕЧЕСТВЕННОМ АПК – БИОЭТАНОЛ. БИОДИЗЕЛЬ ИЛИ БИОГАЗ? Ответ: БИОГАЗ

Таблица 51-2

Выход энергии с одного гектара при производстве различных видов топлива, квт/га

Поэтому в ряде стран широко ведутся исследования по генетике и селекции специальных быстрорастущих пород деревьев, кустарников, трав. И уже имеются определенные достижения; созданы сорта быстрорастущих тополей (70 – 80 ц/га в год), сосен, ряда тропических деревьев.

Для многих стран, имеющих выход к теплым морям или располагающих значительным зеркалом внутренних пресноводных или минерализованных водоемов с вегетационным периодом не менее 3–4 мес., весьма перспективным представляется развитие биогазовой промышленности на базе микро– и макроводорослей и водных растений.

Однако создание таких плантаций потребует дополнительных земель, и для многих стран этот путь развития биоэнергетики вряд ли будет реален в ближайшие годы.

Вероятнее всего, древесина как источник получения топлива методами технической биоэнергетики займет соответствующее место в энергетике таких стран, как СССР, Канада, США и ряде тропических регионов.

Большой интерес к использованию морских водорослей для получения биогаза проявляют в США. В Институте газовой технологии (г. Чикаго) разработана и апробирована технология получения биогаза из водорослей, включая и создание технологии разведения и сбора водорослей (96). Экспериментально установлено, что из 100 кг сырых морских водорослей можно получить 1,56 м³ метана, что эквивалентно 0,281 м³ на I кг летучей части сухих веществ. Объем реактора для суточной потребности в таком количестве исходного сырья и производительности метана составит 3,5 м³. Извлечение энергии из полученного биогаза 55 %, снижение летучей части сухих веществ 47,5 %. Большая часть метана образуется из альгина и маннита [226].

Для целей биоэнергетики успешно могут быть использованы пресноводные и галофильные водоросли внутренних водоемов в странах с умеренным климатом. Например, в России для этих целей вполне подошли бы лиманы Черного моря, Каспийское море, для Средней Азии и Казахстана Каспийское и Аральское моря и другие водоемы. При урожае водорослей 20 г/м² в сутки за летний период вегетации (120 дней) с одного гектара водной поверхности можно получить до 24 т биомассы, переработка которой в биогаз может дать до 12 тыс. м³ газа, что составляет 10 – 12 т условного топлива[227]. Если для этих целей использовать Аральское море (но в Арал нужно дать воду сибирских рек), то в год можно производить до 100 млрд. м³ биогаза. Для осуществления таких проектов необходимо решить широкий комплекс технических и технологических задач по культивированию и сбору массы.

В Китае в 1979 г. сбор Lamininaria japonica составил 280 тыс. т сухой массы в год. В северной Атлантике эта водоросль при ее культивировании методом висячих закрепленных тросов продуцирует до 2 кг массы на I м троса, или в пересчете на км в год можно получать урожай, по энергосодержанию эквивалентный 1000 т угля. Для этих целей можно также использовать Laminaria saccharing [228]. Морская микроводоросль, используя свет с эффективностью 19,6 %, дает урожай по сухой массе 18,6 г/м2 в сутки. Она содержит 20 % липидов, 63 % белков, 5 % углеводов и 11 % минеральных соединений [229]. Микроводоросли Hydroa Cladophora в условиях климата Бельгии дают урожай до 12 – 15 т/га в год. В теплых водах урожай увеличивается на 50 -200 %.[230].

Пресноводный макрофит Enteromorpha при переработке в биогаз может давать до 300 м³ газа на I т сухого вещества. При выращивании в обычной воде урожай этого растения составляет 10 т/га в год, при добавлении питательных веществ – до 40 т/га в год, на сточных водах до 100 – 150 т/га в год, или 40 тыс. м³ биогаза в год [231]. Из I кг (го сухому веществу) водного гиацинта можно получить до 400 л биогаза [232].

Исследования в этом направлении ведутся и в России. Они получили кодовое наименование "Биосоляр" [233], или конверсия солнечной энергии в биогаз посредством системы: водоросли – метаногенная ассоциация. Подсчитано, что КПД такой системы составляет 6 %.

Водоросли и водные растения как новый вид биомассы для получения биогаза нашли широкое применение при их культивировании на сточных водах. При развитии на таких субстратах они, аккумулируя энергию солнца, активно разлагают органические вещества стоков и синтезируют значительное количество биомассы, которая может быть использована для получения дополнительного количества биогаза. Для этих целей могут быть использованы спирулина [224] и водный гиацинт [225].

Широкое применение известных и разработка перечисленных новых технологий промышленного производства биогаза базируется на использовании сложного природного метаногенного биоценоза, детальное исследование свойств и особенностей которого начато относительно недавно [226, 227]. Однако совершенно очевидно, что сложность этой многовидовой бактериальной системы может стать со временем определенным препятствием на пути создания высокоинтенсивных технологий производства биогаза.

Необходимо, используя современные методы селекции и генетической инженерии, получить новые штаммы метаногенов и их "спутников" с такими свойствами, которые бы позволили значительно расширить субстратный диапазон. Необходимо сократить видовое разнообразие таких ассоциаций и создать малочисленные по видовому составу, ассоциации, которые были бы достаточно жизнеспособными и устойчивыми при их использовании в промышленных технологиях.

51.9. Экология и энергетика

51.9.1. Комбинорованные технологии получения энергии из биомассы (органических отходов) и их роль в защите окружающей среды и экономике сельскохозяйственного производства России

Необходимость создания таких технологий продиктована требованиями сегодняшнего дня.

Крупные предприятия агропромышленного комплекса: птицефабрики, животноводческие комплексы и муниципальные хозяйства нуждаются в эффективных способах ликвидации отходов с минимизацией по капитальным вложениям и энергозатратам.

В значительной мере это относится к взаимосвязи использования природного газа, каменного угля и биотоплив.

Разрабатывается несколько безотходных эколого-энергнетических технологий высокорентабельной переработки масштабных масс органических отходов с высокой влажностью:

1. С использованием природного газа;

2. С использованием каменного угля;

3. С использованием древесной щепы;

4. С использованием органических наполнителей для снижения влажности отходов;

5. С использованием биогаза и органических наполнителей.

6. Объединение вариантов 1(2,3) + 4

Россия занимает первое место по запасам природного газа, намного опережая другие страны/

48 ТРЛН. КУБ. М ИЛИ 35 % МИРОВЫХ РАЗВЕДЕННЫХ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗАПАСОВ И 210 ТРЛН. КУБ. М ВСЕХ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ЗАПАСОВ.

ПРИ ТЕМПАХ ДОБЫЧИ 545 млрд. куб. м/год (2004) ГАЗА БУДЕТ ДОСТАТОЧНО СООТВЕТСТВЕННО – НА 88 ЛЕТ И НА 385 ЛЕТ.

По запасам каменного угля Россия также занимает первое место в мире – 97 млрд. тонн или 48.5 % мировых запасов.

В России сосредоточена четвертая часть мировых запасов леса -82 миллиарда куб. метров. В мире таких ресурсов нет. Лес в России занимает 2/3 территории – 1,2 млрд га.

Выполнение национальных программ по сельскому и жилищнокоммунальным хозяйствам России тесно связаны с решением отечественных проблем по энергетике, экологии, и некоторым социальным проблемам, в частности, по созданию современных комфортных условий обитания горожан и сельских жителей.

Эти проекты потребуют интенсивного увеличения энергетических мощностей для дальнейшей электрификации и модернизации сельскохозяйственного производства и жилищно-коммунального хозяйства, внедрения новейших высоких технологий в эти отрасли.

Увеличение энергетических мощностей должно происходить при снижении капитальных затрат, решении проблем экологии с широким привлечением локальных, альтернативных источников топлива и энергии при экономически обоснованном сочетании с традиционной энергетикой созданием комбинированных энергетических технологий на основе использования природного газа, угля и биомассы (органических отходов).

Современные энергетические, экологические и экономические особенности сельскохозяйственного производства и муниципального хозяйства России, особенно на локальном уровне, рост тарифов на энергоносители и возрастающие требования экологического контроля свидетельствуют о необходимости разработки рентабельных и энергоэффективных безотходных технологий переработки и утилизации концентрированных органических отходов растительного и животного происхождения в топливо, энергию и другие коммерчески рентабельные продукты. Органические отходы сельскохозяйственного производства и городов, составляющих основную массу такого типа отходов в мире, входят в состав энергетических биомасс и биоэнерготехнологий, и составляют один из разделов современной энергетики – биоэнергетики [228].

Это направление широко развивается в мире: в Евросоюзе, США, Японии, Бразилии, Китае, Индии и других странах с целью максимального замещения дорогих импортных энергоносителей [228].

Россия – самая богатая страна мира по сумме всех ископаемых органических топлив (нефти, природному газу и углю) и самая богатая страна по такому возобновляемому источнику топлива и энергии как лесная древесина имеет свои особенности в разработке и использовании технологий производства и применения биотоплив [228].

И эти особенности могут быть связаны, прежде всего, с огромными запасами промышленного значения природного газа и каменного угля [229, 230].

К одному из масштабных видов энергетического биосырья России, высокорентабельная переработка которого в топливо и энергию требует больших первоначальных капитальных вложений относятся отходы сельскохозяйственного производства (животноводства, свиноводства и птицеводства, растениеводства) и городов.

Капитальные вложения на переработку 1 тонны таких органических отходов в газообразное топливо и энергию по самой известной высокорентабельной и радикальной биогазовой технологии могут составить от 0.5 до 1.0 миллиона рублей [231]. Для птицефабрики на 500 тысяч голов суточный выход отходов составляет до 100 тонн при влажности 75 % и первоначальные капвложения оцениваются в 100 миллионов рублей. Даже при их окупаемости не более 2-х лет таких средств в настоящее время и в ближайшие годы в сельхозсекторе и муниципальных хозяйствах России нет и не будет.

Вторая проблема – это высокая концентрация таких отходов по месту производства: на птицефабриках, крупных животноводческих комплексах и свинокомплексах и городах.

Третья проблема – Опасность отходов животноводства и птицеводства усугубляется их высокой влажностью: от 75 % до 85 %, иногда до 90–95 %.

Только по птицепрому годовой выход органических отходов составляет до 20 миллионов тонн. Это количество отходов содержит до 60 триллионов кДж энергии или 15 млрд. кВт ч. Они могут стать важным дополнительным источником энергетического сырья для производства тепловой и электрической энергии на локальном уровне, что может быть использовано для успешного и рентабельного решения проблем экологии.

Необходимо создание высокорентабельных энергетических технологий при небольшом объеме капитальных вложений для безотходной переработке таких количеств отходов с получением электрической и тепловой энергии, чего требуют экономические, энергетические и экологические особенности современной России.

К экологически опасным отходам кроме отходов птицефабрик(от 50 до 200 тонн в сутки), относятся отходы крупных свинокомплексов (от 50 до 500 тонн в сутки), животноводческих комплексов крупного рогатого скота (от 40 до 100 тонн в сутки) и городов с населением от 100 тысяч до несколько миллионов жителей (от 20 тысяч до нескольких миллионов тонн в год).

Богатые запасы традиционных энергоресурсов (природного газа и каменного угля) России (и эти преимущества необходимо эффективно использовать особенно на локальном уровне при современном экономическом этапе развития России) позволяют разработать комбинированные энергетические технологии, сочетающие традиционную энергетику и биоэнергетику, по трансформации энергии химических связей органических отходов в коммерческие виды энергии: электрическую и тепловую, – превратив переработку таких отходов из экономически и энергетически затратных производств в современные технологии по производству рентабельных видов энергии и других продуктов с высокими потребительскими свойствами..

С другой стороны, уверенная и энергичная экспансия России на современном мировом рынке энергетики вновь ставит вопрос о необходимости разработки и развития рентабельных альтернативных источников энергии с целью частичного замещения ими нефти и природного газа на внутреннем рынке и увеличения их экспорта.

И в этом плане развивающаяся российская биоэнергетика может оказать серьезную помощь наряду с другими видами возобновляемых источников энергии.

Природный газ и возможно каменный уголь, например в Кузбассе, Канско-Ачинском бассейне, в Воркутинском бассейне и других районах добычи угля, могут помочь более эффективно и экономично использовать нетрадиционные источники энергии на данном этапе экономического развития России.

Общий выход органических отходов растительного и животного происхождения в России составляет 250 миллионов тонн в год (по с.в.): по сельскохозяйственному сектору (до 200 миллионов тонн: промышленное животноводство, свиноводство, птицеводство и растениеводство) и муниципальным отходам (до 50 миллионов тонн в год).

Энергетический запас этого количества отходов составляет 870 млрд. кВт ч/год или годовое производство электроэнергии 124 Бурейскими ГЭС, или 87 % от планируемого производства электроэнергии в 2005 году.

Таблица 51-3.

Краткая характеристика российских птицефабрик и животноводческих комплексов крупного рогатого скота.

Поголовье кур по Птицепрому России составляет 429 миллионов голов. Это 85.8 тысяч тонн помета/сутки или 31.3 миллионов тонн в год.

Проблемы экологии и энергетики, экономика современной России требуют создания новых подходов к рациональному экономически выверенному взаимодополнению традиционной энергетики и возобновляемых источников энергии, особенно на локальном уровне и основанных на использовании биомассы, и прежде всего, органических отходов.

В значительной мере это относится к взаимосвязи использования природного газа, каменного угля и энергетического биосырья.

Газификация «всей страны» (75 %), огромные ресурсы каменного угля и лесной древесины помогут решить эти проблемы рентабельно и энергоэффективно [229].

По данным мировых экспертов (в частности, британских) разведанные промышленные запасы природного газа в России на 2005 год составляют 48 трлн. куб. м или 35 % мировых запасов.[232]. Россия занимает первое место по запасам природного газа, намного опережая другие страны.

При темпах добычи газа 545 млрд. куб. м/год (2004) его промышленных запасов будет достаточно на 88 лет. Всех запасов (210 трлн. куб. м) природного газа в России или 22 % мировых запасов – на 385 лет [233].

Огромные запасы природного газа в России создают особые уникальные и высококонкурентные условия для развития отечественной энергетики и всей экономики России в ближайшее десятилетие. Россия в кратчайшие сроки может сделать мощный рывок в развитии экономики.

По запасам каменного угля Россия также занимает первое место в мире – 97 млрд. тонн или 48.5 % мировых запасов.[230].

В России сосредоточена четвертая часть мировых запасов леса -82 миллиарда куб. метров. В мире таких ресурсов нет. Лес в России занимает 2/3 территории – 1,2 млрд га.[234].

51.9.2. Экология и биоэнергетика

Кажущиеся противоречия между экологией (защита окружающей среды) и энергетикой (энергетические затраты на эту защиту) необходимо решать, используя энергетический запас органических отходов при трансформировании энергии химических связей органических веществ отходов с применением достижений современной науки и технологий в доступные дешевые технические виды энергии: тепловую и электрическую.

Конечно, можно использовать биогазовые технологии и решить эти проблемы: экологическую, энергетическую, агрохимическую и социальную.

Современное промышленное отечественное животноводство и птицеводство образует в год до 420 миллионов тонн органических отходов с влажностью 85 %.

Их переработка по биогазовым технологиям может дать до 25 млрд. куб. метров биогаза (550 ТДж) и 420 миллионов тонн высокоэффективных жидких органических удобрений на сумму 2.1 трлн. руб. в год при необходимом объеме стартового капитала в сумме 0.6 трлн. рублей. Но даже при такой высокой рентабельности таких средств при нынешнем состоянии экономики России нет.

И, второе, в таком количестве органических удобрений нет необходимости.

Площадь пахотных земель России составляет 100–120 миллионов га. Для ежегодной обработки такой площади достаточно 120–240 миллионов тонн органических удобрений класса «БИОУД» из расчета 1–2 тонны на гектар. 1 тонна «БИОУД-1» заменяет 80-100 тонн исходного сырья по его влиянию на урожай сельскохозяйственных культур [235].

Для птицефабрик, животноводческих комплексов и крупных городов нужно искать новые высокорентабельные технологии переработки и полной утилизации органических отходов с возможным производством дополнительной энергии.

Впервые эти решения были практически в промышленном масштабе апробированы в Англии [236] (Таблица 26).

В 1992 году в Англии была построена первая электростанция на основе технологии сжигания крупных партий куриного помета в смеси с другими твердыми органическими отходами (опилками, соломой, стеблями, твердыми бытовыми отходами) мощностью 12.7 МВт, обслуживающая электроэнергией до 22 тысяч домов; в 1993 году вторая – мощностью 13.5 МВт; в 1998 году третья – мощностью 38.5 МВт, перерабатывающая до 450 тысяч тонн отходов в год и обслуживающая до 93 тысяч домов.

Англия. Одна из электростанций, использующая в качестве топлива куриный помет

Рис. 51-8. Внешний вид электростанции, работающей на Куринном помете (Англия)[236].

Британские энергетики для снижения влажности поступающего помета до величин, позволяющих использовать пароэлектрогене-раторы, добавляют в эти отходы твердые бытовые отходы городов, растительные остатки – солому, стебли, и древесные опилки (можно торф).

Специфические особенности России по запасам и низкой стоимости природного газа, каменного угля и лесной древесины позволяют для снижения влажности таких отходов применить следующие технологии:

1. Подсушивание с помощью природного газа, где имеется его подводка к фабрике, комплексу или городу, и сжигание отходов паро-электрогенераторах с получением дополнительного тепла и электроэнергии.

2. Подсушивание с помощью каменного угля в регионах его добычи и сжигание отходов с получением дополнительного тепла и электроэнергии.

3. Подсушивание с помощью древесной щепы или отходов лесопроизводства и сжигание отходов с получением дополнительной электроэнергии и тепла.

4. Подсушивание с помощью получаемого из отходов биогаза, где нет централизованного подвода природного газа, нет каменного угля и древесины и есть необходимость производства органических удобрений и сжигание с получением тепла и электрической энергии.

5. Уменьшение влажности исходного сырья добавление твердых органических отходов (соломы, стеблей, опилок, ТБО, торфа) и сжигание с получением электрической и тепловой энергии.

6. Сочетание вышеперечисленных технологий.

На рис. 51-174 приведена схема предлагаемой комбинированной энергетической технолгии получения электрической и тепловой энергии и минеральных удобрений при сжигании помета с использованием природного газа для запуска всей технологической цепочки. В основу расчетов взяты технические и производственные показатели одной из лучших птицефабрик России – «Ермаково» Вологодской области [237]. Эта фабрика затрачивает на свои нужды 3.6 МВт ч электроэнергии в сутки, тогда как в среднем по России птицефабрики затрачивают до 18 МВт ч/сутки, и производит 132 млн. штук яиц в год.

100 тонн/сутки отходов с влажностью 75 % нужно выпарить и подсушить до влажности 10 %, на что первоначально необходимо затратить 6125 куб. м природного газа (48.9 млн. ккал/сут.) на сумму 6125 руб. (30$ US за 1000 куб. м), или 8.15 тонн каменного угля на сумму 1300 руб. (при стоимости 150.0 руб./т), или 16.3 т древесной щепы на сумму 2500 руб. (при стоимости 150 руб./т). Сухая масса далее должна сжигаться в котлах пароэлектрогенератора мощностью 2 МВт с производством 30 МВТ ч/сутки (теплофикационный путь) или 41 МВт ч/сутки (конденсационный путь). На производство 1 МВт ч электрической энергии расходуется 4 т/час пара или 2.5 млн. ккал тепловой энергии. Затраты электроэнергии на нужды самой фабрики составляют 3.6 МВт ч/сутки. Выход товарной электроэнергии может составить в сутки до 26.4/37.4 МВт ч, тепловой энергии – 40.4/67.5 Гкал/сут. Такое количество электроэнергии может обеспечить 2640/4100 домов или квартир из расчета 10 кВт ч/сутки на дом или 1016 тысяч человек. Часть тепловой энергии конденсата с пароэлектрогенератора расходуется на выпаривание и подсушивание новых партий сырья (40.4 млн. ккал/сут.) [238].

Рис. 51-9. Схема производства электрической энергии при сжигании органических отходов птицефабрики с использованием природного газа, или каменного угля, или древесной щепы.

Выход минеральных удобрений может составить до 2.5 тонн/суки по цене 500 руб./тонна. Стоимость выработанной электроэнергии в год может составить (по 2.5 руб/кВт ч – тариф по Московской области для производств) – 27.4 млн. руб./37.4 млн. руб., тепловой энергии (по 160 руб. за Гкал – среднероссийский тариф) – 2.4 млн. руб./3.9 млн. руб. Стоимость оборудования: выпарная станция и пароэлектрогенератор, – 25–40 млн. руб. Окупаемость – 1–2 года Соотношение стоимостей использованного природного газа и выработанной электроэнергии 4473:1/6100:1.

Для животноводческого комплекса крупного рогатого скота молочного направления на 2500 голов (100 тонн отходов/сутки) предлагаемая технология может дать до 18.9 МВт ч/сутки электроэнергии при затрате всего лишь 7000 куб. м природного газа на сумму 7 тысяч руб.

Затраты комплекса на свои нужды (по данным животноводческого комплекса «Поярково» агроплемфирмы «Искра» Солнечногорского района Московской области) составляет 6.25 МВт ч/сутки. Выход товарной электроэнергии 12.65 МВт ч/сутки, что позволит обеспечить электроэнергией 1200–1300 домов сельских жителей или до 5 тысяч жителей.

Годовой экономический эффект 17 млн. руб. Окупаемость оборудования 1–2 года.

На рис. 51–10 приведена схема предлагаемой энергетической технологии получения электрической и тепловой энергии и минеральных удобрений с использованием органического наполнителя для снижения общей влажности сырья до 30 % при сжигании помета без использования природного газа. 100 тонн/сутки отходов с влажностью 75 % дополняются органическим наполнителем (соломой или древесными опилками) до влажности 30 %.

Масса сжигается в котлах пароэлектрогенератора мощностью 8/16 МВт с производством 185 МВт ч/ сутки (теплофикационный путь) или 352 МВт ч/сутки (конденсационный путь).

Затраты электроэнергии на нужды самой фабрики составляют 3.6 МВт ч/сутки. Выход товарной электроэнергии может составить в сутки до 181.4/348.4 МВт ч. Такое количество электроэнергии может обеспечить 18140/34840 домов или квартир из расчета 10 кВт ч/сутки на дом или 72– 136 тысяч жителей. Выход тепловой энергии 416.7 Гкал/сут (теплофикационный путь). Отапливаемая площадь 760.0 тысячи кв. м /сутки.

Рис. 51–10. Схема производства электрической энергии при сжигании органических отходов птицефабрики с использованием органического наполнителя для снижения первоначальной влажности.

Выход минеральных удобрений может составить до 17.5 тонн/суки по цене 500 руб./тонна. Стоимость выработанной электроэнергии в год может составить – 169.0 млн. руб./321.0 млн. руб., тепловой энергии – 24.4 млн. руб. Стоимость оборудования: выпарная станция и пароэлектрогенератор– 130.0/252.0 млн. руб. Эксплутационные расходы в год – 14 млн. руб. Окупаемость – 1 год. Эта технология может быть использована в регионах зернопроизводства (Северный Кавказ, Краснодарский край, Ростовская область, Поволжье, Южная Сибирь) и в районах, имеющих лесо– и деревообработку, а также добычу торфа).

На рис. 51–11 представлена схема предлагаемой комбинированной энергетической технологии при сжигании отходов птицефабрики (100 тонн/сутки) с использованием получаемого биогаза. 50 тонн/сутки отходов используется для термофильного метанового брожения и производства биогаза (5000 куб. м/сутки), который используется для подсушивания остальных 50 тонн отходов. Сухое сырье – 12.5 т/сутки (5-10 % влажности) сжигается в котлах пароэлектрогенератора с получением 15 МВт ч/сутки (теплофикационный путь)/ 28.5 МВт ч/сутки (конденсационный путь) электроэнергии. Тепловой энергии может быть получено до 13.55 Гкал/сут./47.3 Гкал/сут… Кроме энергии ежедневно производится до 50 тонн высокоэффективных органических удобрений класса «БИОУД-1» (по цене 3–5 тысяч/т).

Рис. 51–11. Схема получения электрической и тепловой энергии при сжигании органических отходов птицефабрики с использованием биогаза.

Количество домов, обеспечиваемых электроэнергией может составить до 1140/2490 или 4–8 тысяч сельских жителей.

Годовая стоимость выработанной электроэнергии может составить до 13.7 млн. руб./26 млн. руб., тепловой – 0.8 млн. руб./3.0 млн. руб. Годовая стоимость производимых удобрений – 90 млн. руб. Объем капитальных вложений на биогазовую станцию (50 млн. руб.) и энергооборудование – выпарная станция и пароэлектрогенератор (21.0/36.0 млн. руб.) составит до 71.0/86.0 млн. руб. Окупаемость до 1 года.

Годовой экономический эффект может составить до 107 млн. руб./117 млн. руб.

Использование аналогичной технологии для переработки отходов животноводческого комплекса крупного рогатого скота молочного направления также рентабельно и энергоэффективно.

Сравнительные технико-экономические данные производства электрической и тепловой энергии по предлагаемым технологиям прямого сжигания и биогазовой (на примере переработки отходов свинокомплекса на 40 тысяч голов) представлены в табл. 51–44. При суточном выходе отходов 200 т и их влажности 85 % технология сжигания (технология 1) позволяет получить в сутки до 36.0 МВт-ч электроэнергии и до 109.0 Гкал тепла, а биогазовая (технология 2) – только 16.0 МВт-ч электроэнергии. Для технологии 2 годовой экономический эффект может составить до 375.0 млн. руб. за счет производства органических удобрений, а для технологии 1 – только 39.25 млн. руб. Однако капитальные затраты на реализацию технологии 1 составят 29.0 млн. руб., а технологии 2 – 200 млн. руб., то есть на порядок больше, а это весьма существенно при настоящем состоянии сельскохозяйственной экономики России. Кроме того, технология 2 потребует отчуждения некоторой площади земель для создания хранилищ жидких удобрений и затрат тепловой энергии на поддержание плюсовой температуры этих удобрений в зимнее время, когда, как показывает российский опыт, удобрения не используются. С другой стороны, эти данные показывают, что в определенных экономических и агрохимических обстоятельствах можно применять комбинацию приведенных выше энергетических технологий.

Аналогичные технологии рентабельны и энергоэффективны и при переработке отходов животноводческого комплекса крупного рогатого скота молочного направления. Для комплекса на 2500 голов (выход отходов, навоз + опилки/солома, – 115 т/сут.) такая технология может обеспечить до 18 МВт-ч/сут. электроэнергии при затрате всего лишь 7000 м³ природного газа на сумму 7 тыс. руб. Расходы комплекса на собственные нужды (по данным животноводческого комплекса «Поярково» агроплемфирмы «Искра» Солнечногорского района Московской области) составляют 6.25 МВт-ч/сут., так что выход товарной электроэнергии равен 11.75 МВт-ч/сут., что позволит обеспечить электроэнергией 1175 сельских домов, или до 5 тыс. жителей. Стоимость биогазовой станции – 65. млн. руб. Годовой объем удобрений (при 80 % влажности) – 24570 т. Стоимость удобрений – 73.71 млн. руб./год, стоимость основного продукта комплекса – 90.0 млн. руб./год, стоимость получаемой электроэнергии – 8.46 млн. руб./год. При этом общий годовой доход комплекса достигнет 172 млн. руб., годовой экономический эффект – 17 млн. руб., окупаемость оборудования – 1–2 года.

На рис. 51–12 показана предлагаемая схема переработки органической составляющей ТБО для города на 300 тысяч жителей после предварительной сортировки в электрическую и тепловую энергию при использовании природного газа для подсушивания и дальнейшего сжигания.

Число жителей 300.0 тысяч; Выход ТБО 411.0, т/сут. Выход электроэнергии 180.0/340.0 МВт ч/сут.; Стоимость электроэнергии 450.0/850.0 тыс. руб. /сут Выход тепловой энергии 447.2/47.2 Гкал/сут.; Стоимость тепловой энергии 7.5/71.5 тыс. руб./сут. Затраты природного газа, 9200.0 куб. м/сут. Количество обслуживаемых домов, тысяч 18.0/34.0. Соотношение стоимостей электроэнергии и природного газа 49.1:1/ 92.4:1.

Количество вырабатываемой электрической энергии при сжигании 411 тонн ТБО (300 тысяч жителей) может обеспечить 60-170 тысяч жителей или половину региона, а для города Москвы – 2 млн. человек (калорийность ТБО может колебаться от 1000 до 3000 ккал/тонну, что связано с органическим составом этих отходов).

Это серьезный резерв в области энергетики при экономически рациональном решении проблем экологии мегаполисов.

Рис. 51–12. Схема проекта переработки ТБО города на 300 тысяч жителей в тепловую и электрическую энергию.

Таблица 51-4.

Сравнительная характеристика техноэкономических характеристик технологий прямого сжигания (1) и биогазовой (2) при производстве электроэнергии и тепла за счет переработки органических отходов свинокомплекса на 40 тыс. голов

2 паровых электрогенератора (4 т пара/час).

биогазоэлектрогенератор установленной мощности.

51.8.3. Биоэнергетика и экономика сельскохозяйственного производства

Вторая важнейшая проблема отечественного сельскохозяйственного производства – это значительная экономия горючесмазочных материалов (ГСМ) в Машино-тракторном парке сельскохозяйственного сектора России на основе использования уникальных энергетических особенностей (огромных запасов природного газа и огромных сырьевых возможностей для высокорентабельного производства биогаза), так как все это обеспечит России высококонкурентные условия на мировом рынке сельскохозяйственной продукции.

Первое решение этой проблемы – создание высокоэкономичных двигателей внутреннего сгорания. Второе – замена жидких топлив (бензина и традиционного дизельного топлива) на природный газ, биогаз, как это активно развивается в Швеции [239].

На примере типичного для нечерноземной полосы России хозяйства «Россия» Лысовского района Нижегородской области, расположенного в зоне рискованного земледелия можно рассмотреть, какую экономию может дать замена ГСМ на природный газ или биогаз в двигателях сельхозмашин, тракторах и автотранспорте на основных сельскохозяйственных работах: пахоте, севе, внесении удобрений и сборе урожая пшеницы, ячменя, картофеля, зеленой массы кукурузы, сена.

В таблице № 51–45 указаны структура площадей этого хозяйства и данные по урожаю основных культур (эти данные взяты по нескольким хозяйствам средней полосы России) [240].

Общая площадь – 3691 гектар, площадь сельскохозяйственных угодий – 3388 гектара, общая масса урожая (пшеницы, ячменя, картофеля, зеленой массы кукурузы и сена) составляет 3174 тонны, что достаточно для откорма молочного стада численностью 2500 тысячи голов и производству в год до 15000 тонн молока стоимостью 90 млн. руб. (6 тысяч рублей за тонну).

Как видно из данных таблицы 51–45, суммарный расход топлива на все основные виды сельскохозяйственных работ в типичном хозяйстве средней полосы России составляет около 130 тонн в сезон [241243].

Для оценки расхода топлива были использованы лучшие показатели отечественных сельхозмашин и автотранспорта в условиях работы в средней полосе России. Хотя, например, затраты на пахоту могут варьировать от 15.9 л/га до 150 л/га, при уборке зерновых – от 7.1 л/т (комбайн «Русь») до 15 л/т (комбайны «Нива», «Дон», «Енисей»), импортные комбайны затрачивают 1 л/т. Таким образом у отечественных машиностроителей и работников села имеются солидные резервы по экономии жидкого топлива.

Таблица 51-5.

Характеристика структуры сельхозугодий и потребления топлива на основные сельскохозяйственные работы на примере хозяйства «Россия» Лысовского района Нижегородской области [163].

В рассматриваемом примере средний расход топлива составляет

45.0 литров на гектар, тогда как в лучших российских хозяйствах эта цифра составляет 42 л/га [244].

При стоимости дизельного топлива 15240 рублей за одну тонну и бензина марки А-80 – 14170 рублей за тонну (2005 г.) затраты таких хозяйств в сезон могут составить от 1.8 млн. руб. до 1.95 млн. руб.[245].

Для животноводческих хозяйств молочного направления при поголовье 2500 КРС и удоях 20 литров в день на голову эти затраты на закупку ГСМ составят всего лишь 2 % (годовой объем производства молока 15 тысяч тонн при себестоимости 6 тысяч рублей за тонну – 90 млн. руб.). Для хозяйств растениеводческих, в которых поголовье крупного рогатого скота составляет 400–500 голов такие затраты слишком накладны и необходимо изыскивать резервы.

Из данных таблицы № 51–45 видно, что затраты топлива на производство 3140 т. зерновых составляют 71.3 тонны. Или соотношение стоимостей топлива (15 тыс. руб./т) к стоимости

(2500 руб./т) произведенного зерна составляет 1:8. То есть в приведенном примере доля ГСМ составляет 12 %. Однако по разным регионам России это соотношение может колебаться от 15 % до 25 % [246–248].

Мировое лидерство России по запасам природного газа промышленного назначения и активное развитие газотрубопроводной сети в России в соответствии с обнародованными планами Газпрома могут существенно повлиять на снижение стоимостной доли топлива в стоимости сельхозпродукции при замене жидкого топлива на природный газ [249].

Согласно руководящему документу Р3112194-0366-03 «Нормы расхода топлив и смазочных материалов на автомобильном транспорте» [250] 1 литр бензина или дизельного топлива может быть заменен одним кубическим метром природного газа в сжатом состоянии.

В приведенном примере 129 тонн жидкого топлива стоимостью 1.8–1.95 млн. руб. могут быть заменены в двигателях сельхозмашин и автотранспорте на 129 тысяч куб. метров природного газа стоимостью 129 тысяч рублей (при цене 30 $ US за 1000 куб. м). При этих условиях вклад стоимости топлива в стоимость сельхозпродукции будет в 10–15 раз ниже, что создаст самые благоприятные условия для интенсивного развития сельскохозяйственного производства, снижения себестоимости продукции этого сектора российской экономики и сделает его высококонкурентным на мировом рынке.

Один кубический метр природного газа (8000 ккал/куб. м) по калорийности эквивалентен двум кубическим метрам биогаза (5500 ккал/куб. м). Причем, двигатели модернизированные под использование природного газа не требую конструктивного изменения для использования биогаза.

Для описанного выше примера типичного хозяйства средней полосы России полная замена жидких топлив потребует 260 тысяч куб. метров биогаза в год. Для производства такого количества биогаза по технологиям ЗАО Центр «ЭкоРос» потребуется поголовье КРС численностью 500600 голов, то есть поголовье среднего растениеводческого хозяйства (годовой объем кормов составит 7300 тонн или 23 % от валового годового урожая всей растениеводческой продукции). Одновременно с биогазом будут произведены высокоэффективные органические удобрения в объеме 7300 тонн, что полностью покрывает потребности такого хозяйства в органических удобрениях класса «БИОУД». При применении таких удобрений дополнительный урожай зерновых составит 20 % или в рассмотренном примере 630 тонн стоимостью 1.6 млн. руб. Дополнительный урожай картофеля – 20 % или 3000 тонн на сумму 12 млн. руб. (при себестоимости 4000 руб. /тонна). Экономия жидкого топлива составит 1.8 млн. руб. Стоимость произведенной молочной продукции – 36 млн. руб. Стоимость создания биоэнергетической станции от 12 млн. руб.(твердофазная метангенерация) до 24 млн. руб., то есть окупаемость составит от года до 2 лет.

Фактически через 2–3 года газообразное топлива для такого хозяйства будет бесплатным.

Таким образом при условии интенсивного развития сельскохозяйственного производства и увеличении его экономической мощи в ближайшие годы будут созданы необходимые экономические условия для производства и применения одного из видов биотоплива – биогаза в двигателях сельхозмашин и автотранспорте.

Ниже приведены данные, что может дать для сельскохозяйственного производства получение биогаза на крупных животноводческих комплексах или птицефабриках:

СВИНОКОМПЛЕКС НА 40 ТЫСЯЧ ГОЛОВ

Суточный выход отходов, тонн 200.0

Суточный выход биогаза, тысяч куб. м 8000.0

Товарный биогаз, тысяч куб. м/сутки 6400.0

Количество замещаемого жидкого топлива, тонн/сутки 3.2

Годовой эквивалент топлива, тонн 1150.0

Стоимость замещаемого топлива, млн. руб. 12.67

Площадь пахотных земель, которые могут быть обработаны при

использовании биогаза в двигателях, гектар 25500.0

Количество хозяйств 7.0

ЖИВОТНОВОДЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС молочного направления на 2500 голов

Суточный выход отходов, тонн 100.0

Суточный выход биогаза, куб. м 4000.0

Выход товарного биогаза, куб. м 3200.0

Суточный эквивалент жидкому топливу, тонн 1.6

Годовой эквивалент топлива, тонн 576.0

Стоимость замещаемого топлива, млн. руб. 6.34

Площадь обрабатываемых пахотных земель, гектар 12800.0

Количество обрабатываемых хозяйств 4.0

ПТИЦЕФАБРИКА ЯЙЦЕНОСКОГО НАПРАВЛЕНИЯ НА 500 ТЫСЯЧ ГОЛОВ

Суточный выход помета, тонн 100.0

Суточный выход биогаза, куб. м 10000.0

Суточный выход товарного биогаза, куб. м 8000.0

Количество замещаемого жидкого топлива, тонн/сутки 4.0

Годовое количество замещаемого топлива, тонн 1440.0

Стоимость замещаемого топлива, млн. руб. /год 15.84

Площадь обрабатываемых пахотных земель, гектар 32000.0

Количество хозяйств 9.0

РЕЗЮМЕ.

1. Комбинированные энергетические технологии, сочетающие традиционную энергетику и биоэнергетику, по производству дополнительной электрической и тепловой энергии при утилизации органических отходов птицефабрик, крупных животноводческих и свиноводческих комплексов и ТБО городов – высокорентабельны и энергоэффективны при практическом решении проблем экологии, и их выбор определяется экономическими, энергетическими и аграрными требованиями конкретного региона..

2 Потенциальные возможности только Птицепрома (280 миллионов голов птицы) по производству дополнительной энергии с использованием природного газа (или каменного угля, или древесной щепы) составляют 6-12 млрд. кВт ч/год, тепловой энергии – 8-22 млн. Гкал/год. Годовой экономический эффект 15–30 млрд. руб./год по электроэнергии и 1.3–3.5 млрд. руб./год по тепловой энергии. Стоимость используемого природного газа 1.3 млрд. руб./год, каменного угля -252 млн. руб./год, древесной щепы – 500 млн. руб. /год. Стоимость выработанной дополнительной энергии за счет использование биотоплив на порядок выше стоимости используемых традиционных видов топлива (и это без учета стоимости охраны окружающей среды).

3. Потенциальные возможности производства дополнительной энергии при переработке ТБО городов (60 млн. тонн/год) могут составить 20.0 млрд. кВт ч/год.

Перевод двигателей сельскохозяйственных машин и автотранспорта, занятого в сельскохозяйственном производстве, на природный газ или биогаз значительно снизит себестоимость российской сельхозпродукции и сделает высококонкурентоспособной на мировом рынке.

Реализация этих проектов позволит создать в России дополнительные рабочие места.

Предлагаемые проекты есть результат проведенных в России научно-технических разработок.

Все вышеперечисленные проекты будут реализованы полностью на оборудовании, разработанном и производимом в России без необходимости использования валютных средств.

Литература 2-й части

1. Семенов Н.Н., Наука и общество// М., Наука, 1973.

2. Панцхава Е.С. и др., Биогазовые технологии/М., 2008.

З.Эдер Барбара, Шульц Хайнц. Биогазовые установки. Практическое пособие… март 1996 г. zorgbiogas.ru/)

4. R. K. Thauer, A.K. Kaster, H. Seedorf, W. Buckel and R. Hed-derich, Methanogenic archaea: ecologically relevant differences in energy conservation, 2008)

5. C.R. Woese. A proposal concerning the origin of life on the planet earth // J. Mol. Evol. 1979. V. 13.

5a. The Procaryotes: Archaea and Bacteria text book of bacteriol-ogy.net.

6. Y. Ueno et al. Evidence from fluid inclusions for microbial methanogenesis in the early Archaean era // Nature. 2006.

7. Wikipedia.org/wiki. Methanogen.

8. Joseph W. Lengeler (1999). Biology of the Prokaryotes. Stuttgart: Thieme. p. 796. ISBN 0-632-05357-7.

9. J.K. Kristjansson, et al. (1982). «Different Ks values for hydrogen of methanogenic bacteria and sulfate-reducing bacteria: an explanation for the apparent inhibition of methanogenesis by sulfate». Arch. Microbiol. 131

(3): 278–282. doi:10.1007/BF00405893.

10. Meisam Tabatabaei, Raha Abdul Rahim, Andre-Denis G. Wright, Yoshihito Shirai, Norhani Abdullah, Alawi Sulaiman, Kenji Sakai and Mohd Ali Hassan. 2010. Importance of the methanogenic archaea populations in anaerobic wastewater treatments (Process Biochemistry– 45(8), pp: 1214–1225)

11. V. Peters, R. Conrad, 1995, Methanogenic and other strictly anaerobic bacteria in desert soil and other oxic sois, Applied and Environmental Microbiology, 61: 1673-1676

12. http://spacecenter.uark.edu/JillJabstract.doc

13. Метаногены и климат на Земле / Обзор: 2006: (J. F. Kasting) wsyachina. narod.ru

14. Kvenvolden, K. (1995). "A review of the geochemistry of methane in natural gas hydrate". Organic Geochemistry 23 (11–12): 997-1008. doi:10.1016/0146-6380(96)00002-2.

15. Milkov, Alexei V (2004). "Global estimates of hydrate-bound gas

in marine sediments: how much is really out there?". Earth-Science Reviews 66 (3–4): 183–197. Bibcode:2004ESRv…66..183M.

doi:10.1016/j.earscirev.2003.11.002.

16. Proceedings of the National Academy of Sciences doi:10.1073/pnas.0507601102

17. Icarus (vol. 178, p. 277)cs: Methanogen

18. Extreme bugs back idea of life on Mars

19. Crater Critters: Where Mars Microbes Might Lurk

20. Thauer, R. K. and Shima, S. (2006). "Biogeochemistry: Methane and microbes". Nature 440 (7086): 878–879. Bibcode:2006Natur.440..878T. doi:10.1038/440878a. PMID 16612369.

21. Gao, B. and Gupta, R. S. (2007). Phylogenomic analysis of proteins that are distinctive of Archaea and its main subgroups and the origin of methanogenesis. BMC Genomics. 8:86. doi:10.1186/1471-2164-8-86.

22. Gribaldo S, Brochier-Armanet C: The origin and evolution of Ar-chaea: a state of the art. Philos Trans R Soc Lond B Biol Sci 2006, 361: 1007–1022.

23. M.J. Whiticar, et al. (1986). "Biogenic methane formation in marine and freshwater environments: CO₂ reduction vs. acetate fermentation – isotope evidence". Geochim. Cosmochim. Acta 50 (5): 393–709. Bibcode:1986GeCoA..50..693W. doi:10.1016/0016-7037(86)90346-7.

24. Ferry, J.G. (1992). "Methane from acetate". Journal of Bacteriology 174 (17): 5489–5495. PMC 206491. PMID 1512186. Retrieved 2011

11-05.

25. Vogels, G.D.; Keltjens J.T., Van Der Drift C. (1988). "Biochemistry of methane production". In Zehnder A.J.B. Biology of anaerobic microorganisms. New York: Wiley. pp. 707–770.

26. Domain Archaea clas-

sic.sidwelLedu/us/..JClassifi cation…/Archae)

27. Classification of methanogenic bacteria by 16S ribosomal RNA …www.ncbi.nlm.nih.gov >… > v.74(10); Oct 1977 -

28. Taxonomic notes Taxonomy of Archaea domain – encyclopedia article – Citizendium

en.citizendium.org/…/Taxonomy_of_Archaea_… 03 марта 2009 г. – This is a taxonomic list of domain Archaea…..EUZEBY, J. P. Classifica

tion of domains and phyla – Hierarchical classification of prokaryotes…)

29. Jean-Louis Garcia, Bharat К. С Patel, and Bernard Oilivier, Taxonomic, Phylogenetic, and Ecological Diversity of Methanogenic Ar-chaea.

30. J. Ferry. Methanogenesis, p105.

31. Hadean – Wikipedia, the free encyclopedia en.wikipedia.org/wiki/Hadean

32. Fabia U Battistuzzi, Andreia Feijao and S Blair Hedges. A ge

nomic timescale of prokaryote evolution: insights into the origin of methanogenesis, phototrophy, and the colonization of land., BMC Evol Biol. 2004; 4: 44. www.pubmedcentral.nih.gov /articlerender.fcgi?

artid=533871.

33. Эволюция Земли (для дополнительного чтения)

www.astronet.ru..

34. G?nter Sch?fer, Martin Engelhard, and Volker M?l-ler,Bioenergetics of the Archaea,

mmbr.asm.org.

35. Blaut M., M?ller V., Gottschalk G. (1992) Energetics of methanogenesis studied in vesicular systems. J. Bioenerg. Biomembr. 24:529–546. CrossRefMedline

36. Deppenmeier U., M?ller V., Gottschalk G. (1996) Pathways of energy conservation in methanogenic archaea. Arch. Microbiol. 165:149163. CrossRef.

37. M?ller V., Blaut M., Gottschalk G. (1993) Bioenergetics of methanogenesis. in Methanogenesis. ed Ferry J. G. (Chapman and Hall, New York, N.Y), pp 360–406. Search Google Scholar.

38. Thauer R. K. (1998) Biochemistry of methanogenesis: a tribute to Marjory Stephenson. Microbiology 144:2377–2406. Abstract/FREE Full Text).

39. www.creati-onism.org.

40. O. Kurt, Konhauser et al. Oceanic nickel depletion and a methanogen famine before the Great Oxidation Event // Nature. 2009; Артамонов В.И. Зеленые оракулы. М.: “Мысль”. 1989: www.iznedr.ru;

41. Соболева Е.В. Состав хемофоссилий – геолого-геохимическая история нефти // Вестн. МГУ, сер. 4, геология. 2003. № 2; Панцхава е., Сыромятников Е.// ДАН СССР. 1973, т. 3.

42. Marshal C.P. et al. Structural characterization of kerugen in 3.4 Ga Archaean cherts from the Pibara Craton, Western Australia// Precam-brian Research. 2007.V. 155.

43. Buick R., Rasmussen B., Krapez B., Archean oil: Evidence for ex-tenive hydrocarbon generation and migration 2.5–3.5 Ga. 2006.V.82.№ 1.

44. Панцхава Е.С., Механизм биосинтеза метaya у Methanobacil-lus kuzneceovii: Докторская диссертация. М. ИНБИ им. А.Н. Баха АН СССРБ 1977 г.

45. Панцхава Е.С., Будущее мировой энергетики – водород химикоферментативного фотолиза воды., Малая энергетика, 2011, № 3–4, стр. 66.

46. M.De Rosa, A.Gambagorta, A.Gliozzi Structure, biosynthesis and physicochemical properties of archaebacterial lipids // Microbiol Rev. 1986, 50(1))

47. B. Lupa, E. L. Hendrickson, J. A. Leigh, and W. B. Whitman. Formate-Dependent H2 Production by the Mesophilic Methanogen Methanococcus maripaludis //Applied and environmental microbiology. 2008.

48. Введение в микробиологию. Mikro-biol.ru.

49. M. Kurr, R. Huber, H. Konig, H.W. Jannash, H. Fricke, A. Trin-cone, J.K. Kristjansson, K.O. Stetter, Methanopyrus kandleri, gen. and sp.nov. represents a novel group of hyperthermophilic methanogens, growing at 110 °C.Arch Microbiol. (1991). 156: 239–247.

50. Chemosynthetic Ecosystems Study – Data Center, www.data.boem.gov

/PI/PDFImages/ESPIS/0/562.pdf

51. C. Jeanthon¹, S. L'Hari-don¹, A.-L. Reysenbach², E. Corre¹, M. Vernet¹, P. Messner³, U. B. Sleytr³ and D. Prieur¹. Methanococcus vulcanius sp. nov., a novel hyperthermophilic methanogen isolated from East Pacific Rise, and identification of Methanococcus sp. Int J Syst Bacteriol 49 (1999), 583–589;).

52. Comita PB, Gagosian RB. Membrane Lipid from Deep-Sea Hydrothermal Vent Methanogen: a New Macrocyclic Glycerol Diether Science 23 December 1983: Vol. 222. no. 4630, pp. 1329 – 1331) 53. B. N. Orcutt, J. B. Sylvan, N. J. Knab² and K. J. Edwards, Microbial Ecology of the Dark Ocean above, at, and below the Seafloor, Int J Syst Evol Microbiol 54 (2004), 1095–1100;

54. Cheng L, Qiu TL, Yin XB, Wu XL, Hu GQ, Deng Y, Zhang H.,Methermicoccus shengliensis gen. nov., sp. nov., a thermophilic, methy-lotrophic methanogen isolated from oil-production water, and proposal of Methermicoccaceae fam. nov., Int J Syst Evol Microbiol. 2007 Dec;57(Pt 12):2964-9.

55. L'Haridon S, Reysenbach AL, Banta A, Messner P, Schumann P, Stackebrandt E, Jeanthon C Methanocaldococcus indicus sp. nov., a novel hyperthermophilic methanogen isolated from the Central Indian Ridge. Int J Syst Evol Microbiol. 2003 Nov;53(Pt 6):1931-5.

56. Jiang B, Parshina SN, van Doesburg W, Lomans BP, Stams AJ. Methanomethylovorans thermophila sp. nov., a thermophilic, methylotro-phic methanogen from an anaerobic reactor fed with methanol. Int J Syst Evol Microbiol. 2005 Nov;55(Pt 6):2465-70.

57. J. G. Zeikus¹ and R. S. Wolfe, Fine Structure of Methanobacte-rium thermoautotro-

phicum: Effect of Growth Temperature on Morphology and Ultrastructure J Bacteriol. 1973 January; 113(1): 461–467.

58. Imachi H, Sakai S, Sekiguchi Y, Hanada S, Kamagata Y, Ohashi A, Harada H, Methanolinea tarda gen. nov., sp. nov., a methane-producing archaeon isolated from a methanogenic digester sludge. Int J Syst Evol Microbiol. 2008 Jan;58(Pt 1):294–301. doi: 10.1099/ijs.0.65394-0.

59. Архей. Архейская эра www.gect.ru/history/…/ARchean2.htm

60. Как на планете появилась вода? 3 октября 2008 | Статьи Источник: CyberSecurity

61. medbiol.ru/medbiol/…/0010dab?.htm.

62 Заварзин Г. А. Лаборатория реликтовых микробных сообществ

Микробиология, 1999, Т.68, № 5, www.inmi.ru.

63. Г. А. Заварзин, СТАНОВЛЕНИЕ БИОСФЕРЫ. ВЕСТНИК РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК, том 71, № 11, с. 988–1001 (2001)

64. Г. А. Заварзин. Становление системы биогеохимических циклов. macroevolution.narod.ru/zavarzin,2003.htm

65. Панцхава Е.С., Будущее мировой энергетики – водород биофотолиза воды, Энергия, 10, 2011, стр. 11.

66. Панцхава Е.С., семинар А.И. Опарина «Происхождение жизни на Земле», конец 70-х годов.

67. О. Г. Сорохтин, С. А. Ушаков Глава 12. Происхождение и эволюция жизни на Земле глава из книги «Развитие Земли». М: Изд-во МГУ, 2002. 506 с.

68. Дж. Ф. Кастинг, Когда погоду делал метан… 2006. wsyachina.narod.ru.

69. Biomass, Volume 21, Issue 4, 1990, Pages 315-32.

69a. The Origin of Life on Planet Water.

70. Атмосфера, www.zemnoyklimat.ru.

71..География и геология, www.calc.ru/gg.htm.

72. Микробиология. Гусев М.В., Минеева Л.А, 4-е изд., стер. – М.: Академия, 2003. – 464 с.

73. Реферат: Гидросфера, referats.qip.ru.

74. Акопян М.Е., Фотопроцессы и первичные этапы химической эволюции органических молекул на Земле, НАУКИ О ЗЕМЛЕ, 1999.

75. Kurt O. Konhause Nature 458, 750–753,9 April 2009.

76. K. O. Konhauser, E. Pecoits, S. V. Lalonde, D. Papineau, E. G. Nisbet, M. E. Barley, N. T. Arndt, K. Zahnle & B. S. Kamber, Oceanic nickel depletion and a methanogen famine before the Great Oxidation Event, Nature 458, 750–753 (9 April 2009).

77. Эволюция Земли(для дополнительного чтения)

www.astronet.ru/..

78. ПанцхаваЕ.С., Сыромятников Е., ДАН СССР, 1973,т.3.

79. Archaea. (Kingdom)zipcodezoo.com/…/Archaea/default.asp.

80. Archaea – Wikipedia, the free encyclopedia,

en.wikipedia.org/wiki/Archaea.

81. System. Appl. Microbiol. 7, 393–397 (1986).

82. Юферев И.Р., Панцхава Е.С., «Сухая» метангенерация, Биотехнология, 1988, т. 4, № 8, стр. 518–524.

83. R. T. Williams'* AND R. L. Crawford, Methanogenic Bacteria, Including an Acid-Tolerant Strain, from Peatlands, Aplied and Environmental Microbiology, dec. 1985, p. 1542–1544).

84. L. Florencio, A. Nozhevnikova, A. van Langerak, A.J.M. Stams, J.A. Field and G. Lettinga, Acidophilic degradation of methanol by a methanogenic enrichment culture, FEMS Microbiology LettersVolume 109, Issue 1, 1 May 1993, Pages 1–6.

85. D. V. Savant, Y. S. Shouche, S. Prakash and D. R. Ranade, Methanobrevibacter acididurans sp. nov., a novel methanogen from a sour anaerobic digester. International Journal of Systematic and Evolutionary Microbiology (2002), 52, 1081–1087)

86. H. Cadillo-Quiroz, J. B. Yavitt and S.H. Zinder, Methanosphaerula palustris gen. nov., sp. nov., a hydrogenotrophic methanogen isolated from a minerotrophic fen peatland. Int J Syst Evol Microbiol 59 (2009), 928–935.

87. S.L. Br?uer, H. Cadillo-Quiroz, E.Yashiro, J.B. Yavitt & S.H. Zinder, Isolation of a novel acidiphilic methanogen from an acidic peat bog, Nature. 2006 Jul 13;442(7099):192-4.

88. Жилина Т.Н., Облигатно-галофильная метанобразующая бактерия. Всес. совещание "Анаэробные микроорганизмы". 19–21 октября 1982 г, Пущино. Тез. докл. С. 15–16.

89. Жилина Т.Н. Галофильное метанобразующее сообщество микроорганизмов, Автореферат, Москва – 1992.

90. H. Mochimaru, H.Tamaki, S.Hanada, H.Imachi, K. Nakamura, S.Sakata and Y. Kamagata, Methanolobus profundi sp. nov., a methylotro-phic methanogen isolated from deep subsurface sediments in a natural gas field, Int J Syst Evol Microbiol 59 (2009), 714–718.

91. А.В. Колтыпин, Нефть и угли с повышенным содержанием урана, ванадия, никеля, иридия и других металлов – отложения эпох "ядерных войн", 2009, www.dopotopa.com.

92. G. Dennis Sprott, Kathleen M. Shaw, and Ken F. Jamell, Isolation and Chemical Composition of the Cytoplasmic Membrane of the Archae-bacterium Methanospirillurn hungatei, Journal of biological chemistry Vol, No. 6, pp. 40264031,1983.

93. R.K. Thauer, Biochemistry of methanogens Most important results Biochemistry of methanogens, www.mpi-marburg.mpg.de.

94. R.K. Thauer, Hydrogenases from Methanogenic Archaea, Nickel, a Novel Cofactor, and H2 Storage, Annual Review of Biochemistry Vol. 79, 2010.

95. Ежегодный обзор биохимии Том 79. 2010,

www.annualreviews.org.

96. Архейская эра и доархей, www.biology.garshin.ru.

97. M. DE Rosa,I A. Gambacorta, B. Nicolaus AND W. D. Grant, C2,C2 Diether Core Lipid from Archaebacterial Haloalkaliphiles, Journal of General Microbiology (1983), 129, 2333–2337.

98. M. De Rosa, A. Gambacorta, and A. Gliozzi, Structure, Biosynthesis, and Physicochemical Properties of Archaebacterial Lipids, Microbiological Reviews,

Mar. 1986, Vol. 50, No. 1 p. 70–80

99. Morii H, Nishihara M, Ohga M, Koga Y A diphytanyl ether analog of phosphatidylserine from a methanogenic bacterium, Methanobrevi-bacter arboriphilus. Lipid Res. 1986 Jul;27(7):724-30.

100. Archaea & Eubacteria: Taxonomy and Phytogeny,

euarch.blogspot.com/…/taxonomy-and-phyloge… 01 дек. 2007 г.

101. Methane oxidation, amethox.com.

102. P. R. Girguis, V. J. Orphan, S.J. Hallam, and E. F. DeLong, Growth and Methane Oxidation Rates of Anaerobic Methanotrophic Ar-chaea in a Continuous-Flow Bioreactor, Applied and Environmental Microbiology, 2003, p. 5472–5482, Vol. 69, No. 9 103. Анаэробное окисление метана – Википедия, ru.wikipedia.org/wiki/.

104. F. Fischer, W. Zillig, K. O. Stetter & G.

Schreiber,Chemolithoautotrophic metabolism of anaerobic extremely thermophilic archaebacteria, 1983, Nature 301, 511 – 513.

105. An Anaerobic Methane-Oxidizing Community of ANME-1b Archaea in Hypersaline Gulf of Mexico Sediments aem.asm.org/content/.

106. Anaerobic Oxidation of Methane: Mechanisms, Bioenergetics, and the Ecology of Associated Microorganisms, pubs.acs.org/doi/abs/l.

107. Michael W. W., A.W. Zillig, I. Holtz, D. Janekovic, W. Schafer and W.D. Reiter, The metabolism of hydrogen by extremely thermophilic, sulfur-dependent bacteria, The archaebacterium Thermococcus celer… Syst. Appl. Microbiol. 4 (1983), pp. 88–94.)…

108. B. Schink, Degradation of unsaturated hydrocarbons by methanogenic enrichment cultures, FEMS Microbiology Letters, Volume 31, Issue 2, pages 69–77, April 1985

109. Brassell SC, Wardroper AM, Thomson ID, Maxwell JR, Eglinton G. Specific acyclic isoprenoids as biological markers of methanogenic bacteria in marine sediments. Nature. 1981 Apr 23;290(5808):693-6.

110. Methane From Gas Hydrates Using Methanogens – OnePetro, www.onepetro.org.

111. М.В.Гусев, Л.А.МинееваРМ Мир прокариот: архебактерии – MedBookAide medbookaide.ru.

112. Астрогалактика Просмотр темы – Астробиология как наука www.astrog alaxy.ru.

113. Заварзин Г. А. Известия Академии наук СССР: Сер. биологическая.-1986Ж 3.-С.341–360.

114. Мкинерни М.,Брайант М. // Биомасса как источник энергии.-М.: Мир, 1985.-С.247–265.

115. Панцхава Е. С, Биология термофильных микроорганизмов.-М.: Наука, 1986.-С.74–87.

116. Zeikus J.G.// Annu.Rev.Microbiol.-1980 – ^1. 34. -Р. 423 -

464.

117. В а 1 Л W.E., Fox G.E., Magrum L.T.,// Microbiol. Rev. -1979. – Уо1. 43.-Р. 260–296.

118. П а н ц х а в а Е. С.// Успехи биологической химии.-1985.-Т.26.-С.169–194.

119. Danniels L., Spaling R., Spro A.C.D. – 1984. – Р. 113–163.

120. Keltjens J.T.C. van der Drift // FEMS Microbial. Rev. – 1986. -Уо1. 39. – N 3. – Р. 259 – 303.

121. П а н ц х а в а Е. С.// Микробиологический журнал.-1982.-Т.44.-С.60–64.

122. Ч а н Д и н ь Т о а и, Калюжный С. В., П а н ц хав а Е. С., В а р ф о л о м е е в С. Д.Биоконверсия солнечной энергии. – Пущино, 1984.-

С.79–88.

123. Zinder S.H., Angush T., Lee M.//Int. Bioenergy directory and hand-book. Ed. P. F. Bente.

124. Панц х а в а Е. С., М а л а ш е нк о Ю. Р. и др.// Прикл. биох. микробиол.-1984.-Т.20.-С.340–348.

125. Остер Н., 1985

126. Чернышев А.А., Совершенствование биогазовых установок для производства удобрений из навоза КРС. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Москва, ВИЭСХ, 2004.

127. Блохин А.Ю., Российские аспекты разработки и применения биогазовых технологий в сельском хозяйстве, РУДН, Москва, 2005, Магистерская диссертация.

128. О^еп J.E.//Bioenergy-84.– Ed.H.Egneus, A.Ellegard.-1985.-

111.-P. 295–300.

129. NUTEC, Federal Energy Research and Development for the challenges of the 21^st Century // Report of the Energy Research and Development Panel, 19097. The President’s Committee of Advisors on Science and Technology., Washington DC.

130. Семененко И.В., Проектирование биогазовых установок, Сумы, Украина, 1996 г., ВФ «МакДен», 347 стр.

131. Kaizer W., Shimizu M., High– temperature gasification, Waste management world, 2004, n. 6.

132. Tonsing R., The new block gold, REW, 2004, v. 7, n 3.

133. Fulton L., Driving ahead, REW, 2004, v/ 7, n 4.

134. Rosillo-Calle F., Cortez L.A., Forward ProAlcochol 11: Reviero of Brazilian National Bioethanol Program // Biomass and Bioenergy, 1996.

135. Pantskhava E.S., Koshkin N.L., The use of Bioenergy in Russia: The problems and perspectives.// Renewable sources energy and their signification for energy policy in Germany and Russia. Freiburg in Breslau., 24 October 1994.

136. Rosillo-Calle F., Cortez L.A., Forward ProAlcochol 11: Reviero of Brazilian National Bioethanol Program // Biomass and Bioenergy, 1996.

137. Андрюхин Т.Я. с соавторами., Рециркуляционное анаэробное сбраживание отходов сельского хозяйства с выработкой биогаза, Биотехнология, 1989, т. 5, № 2, с. 219–222.

138. Д р ы г и н а Е. С., С и н е л ь н и к о в а I. И. Анаэробная очистка сточных вод. – М.: ВНИИСЭНТИ, – 1986.-С.35.

139. 3 а в а р з и н Г. А.// Природа.-1987.-Ы 1.-С.66–79.

63. 140.Burgess S.//Food Manuf.– 1984. – Уо1. 59. – N 7. -Р.39-41

141. Панцхава Е. С. Витаминные ресурсы и их использование//Сб. научи. тр. – М.: Изд. АН СССР, 1963.-С.15–40.

142. Boris A., Varrier D.,//Indust. Aliment. Et agricoles.– 1984. -То1.101. – N 6. – Р. 493 – 497.

143. П а н ц х а в а Е. С. Закономерности биосинтеза витамина при термофильном, метановом брожении. – М.: 1964. – 250 с.

144. Tibor C., Czako L. et al // Biotechnol. And Bioeng.– 1984. – То1.

26. – N 2. – Р. 1425–1429.

145. Kishimoto B., Shima N., Miyazawa T. Et al.// Hitachi Zogen. Techn.Rev.. – 1984. – То1. 45. – N 1. – p. 1–7

146.. Liao P.H., Lo K.V., //Biomass – 1985. – Уо1. 8. -Н 3. – Р. 185 194.

147. Lo K. V., Liao P.H.//Biomass.-1985.-Vol.8.-N2.-P. 81–90.

148. Cho Y.K.,// Biotechnol.Lett.-1983.-Vol.5.-N8.-P. 555–560.

149. Burgess S., Moris G.G.//Process Biochem.-1984.-Vol.19.-N 5.-

P. 4–5.

150. Zeevalkius J.A., Measkaut W.//Starke.-1984.-Vol. 36.– N 4.-P.131–135.

151. Баадер В.,Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика. – М.: Колос.-1982.-148 с.

152. О. Ахти. Биогаз-85. Проблемы и решения. Москва-Хельсинки., А/О «АВ Enbom»-1985.-G 103–115.

153. Lo K.V., Chen W.Y., Liao P.H. Mesophilic digestion of screened dairy manure using anaerobic rotating biological contact reactor.

– Biomass, 1986, v. 9, N 2, p. 81–92.

154. Lo K.V., Chen W.Y., Liao P.H. Mesophilic digestion of screened dairy manure using anaerobic rotating biological contact reactor.

– Biomass, 1986, v. 9, N 2, p. 81–92

155. ' Schroepfer G.J., Fuller W.J., Johnson A.S., Ziemke N.R., Anderson J.T. The anaerobic contact process as applied to packing – house wastes. – Sewage Ind. Wastes, 1955, v. 27, p. 460–486.

156. Van den Berg L., Lentz C.P. Food processing waste treatment by anaerobic digestion. – Proceeding of the 32th Purdue Industrial Waste Conference, 1977, Ann Arbor, M.I. p. 252–258

157. Stronack S..M., Rudd Т., Lester T.N, The effect of downtime on the operational performance and steady state biomass distribution of anaerobic fluidized beds. – Biomass, 1987, v. 12, N 2. p. 141–152

158. ¹ Young I.C., McCarty P.L. The anaerobic filter for waste treatment. – Proceeding of the 22nd Purdue Industrial Waste Conference, 1977, Ann Arfor, MI, p. 559–574

159. Dahab M.F., Young J..C. Retention and distribution of biological solids in fixed – bed anaerobic filters. – Proceeding of the First International Conference of Fixed Film Biological Process, 1982, Pittsburgh, PA, p. 1337–1351

160. Dahab M.F., Young J..C. Retention and distribution of biological solids in fixed – bed anaerobic filters. – Proceeding of the First International Conference of Fixed Film Biological Process, 1982, Pittsburgh, PA, p. 1337–1351

¹⁶¹'Young J.C., Dahab M.F. Effect of media design on the performance of fixed – bed anaerobic reactors. – Proceeding of the International association on water Pollution Research Seminar on Anaerobic treatment of Waste Water in fixed Film Reactors, 1982, Copenhagen

162. Van den Berg L. Development in methanogenesis from industrial waste water. – Can. J. Microbiol., 1984, v. 30. N 8, p. 975–990

163. De Walle F.B., Kennedy J.C., Zeisig Т., Stabloom R. Treatment of domestic sewage with the anaerobic filter. – Proceeding of the U.S. Department of Energy Workshop/Seminar on Anaerobic Filters, 1980, Chicago, IL, p. 143—157

164. Van den Berg L. Development in methanogenesis from industrial waste water. – Can. J. Microbiol., 1984, v. 30. N 8, p. 975–990

165. Duff J.B., Kennedy K.J. Effect of hydraulic and organic overloading on thermophilic downflow stationary fixed – film (DSFF) reactor. -Biotechnol. Lett., 1982, v. 4, N 12,

p. 815-820

166. Van den Berg L. Development in methanogenesis from industrial waste water. – Can. J. Microbiol., 1984, v. 30. N 8, p. 975–990

167. Duff J.B., Kennedy K.J. Effect of hydraulic and organic overloading on thermophilic downflow stationary fixed – film (DSFF) reactor. -Biotechnol. Lett., 1982, v. 4, N 12, p. 815–820

168. Van den Berg L. Development in methanogenesis from industrial waste water. – Can. J. Microbiol., 1984, v. 30. N 8, p. 975–990

169. Van den Berg L. Development in methanogenesis from industrial waste water. – Can. J. Microbiol., 1984, v. 30. N 8, p. 975–990

170. Lettinga C.S., van Velson W., Hobma W., Zeeuw W., Klapwyk A. Use of upflow sludge blanket reactor concept for biological waste water treatment especially for anaerobic treatment. – Biotechnol. Bioeng., 1980, v. 22, p. 699–734

171. Stronack S..M., Rudd Т., Lester T.N, The effect of downtime on the operational performance and steady state biomass distribution of anaerobic fluidized beds. – Biomass, 1987, v. 12, N 2. p. 141–152

172. Young I.C., McCarty P.L. The anaerobic filter for waste treatment. – Proceeding of the 22nd Purdue Industrial Waste Conference, 1977, Ann Arfor, MI, p. 559–574

173. Dahab M.F., Young J..C. Retention and distribution of biological solids in fixed – bed anaerobic filters. – Proceeding of the First International Conference of Fixed Film Biological Process, 1982, Pittsburgh, PA, p. 1337–1351

174. Young J.C., Dahab M.F. Effect of media design on the performance of fixed – bed anaerobic reactors. – Proceeding of the Interna-

tional association on water Pollution Research Seminar on Anaerobic treatment of Waste Water in fixed Film Reactors, 1982, Copenhagen

175. De Walle F.B., Kennedy J.C., Zeisig Т., Stabloom R. Treatment of domestic sewage with the anaerobic filter. – Proceeding of the U.S. Department of Energy Workshop/Seminar on Anaerobic Filters, 1980, Chicago, IL, p. 143—157

176 Duff J.B., Kennedy K.J. Effect of hydraulic and organic overloading on thermophilic downflow stationary fixed – film (DSFF) reactor. -Biotechnol. Lett., 1982, v. 4, N 12,

p. 815-820

177. Switzenbaum M.S. A comparison of the anaerobic filter and the anaerobic expaded/fluidized bed processes. – Proceeding of the international association on water pollution research seminar an anaerobic treatment of waste water in fixed film reactors, 1982, Copenhagen

178. Heijnen J.]., Mulder A., Enger M., Hoeks F. Review on the application of anaerobic fluidized bed reactors in waste – water treatment. – Proc. EWPCA Conf. on anaerobic treatment, Amsterdam, 1986, p. 159

179. Henze M., Harremoes P. Anaerobic treatment of wastewater in fixed films reactors – a literature review. – Wat. Sci. Tech., 1983, v. 15, N 1

180. Jewell W.J. Anaerobic attachment film expanded bed fundamentals. – Proc. Inst. Int. Cinf. Fixed – Film Biological Processes, Kings Islands Ohio, 20–23 April 1982 (Univ. Pittsburgh), p. 17.

181. Heijnen J.]., Mulder A., Enger M., Hoeks F. Review on the application of anaerobic fluidized bed reactors in waste – water treatment. – Proc. EWPCA Conf. on anaerobic treatment, Amsterdam, 1986, p. 159

182. Hall E.R. Biofilm reactors in anaerobic wastewater treatment. -Biotechn. Adv., 1987. v. 15, p. 257–269

183. Guiot S.R., Kenneddy K.J., van den Berg L. Performance of the methanogenic upflow sludge blanket filter (URF) reactors. – Proceedings of the 5th Canadian Bioenergy RSD Seminar, 1984, London: Elsevier Appl. Sci. Publ., p. 323

184. Guiot S.R., Kennedy K.J… van den Berg L. Comparison of the upflow anaerobic sludge blanket, and sludge bed – filter concepts. – Proc. EWPCA Conf. on Anaerobic Treatment, Amsterdam, 1986, p. 533

185. Reynolds P.I., Colleran E. Comparison of start-up and operation of anaerobic fixed – bed and hybrid sludge – bed/fixed-bed reactors treating whey wastewater. – Proc. EWPCA Conf. on Anaerobic Treatment, Amsterdam, 1986, p. 515

186. Crawford G..V… Teletake H. Performance of a hybrid anaerobic process. – Presented at 41st Ind. Waste Conf. Purdue Univ., 1986

187. Rekunen S.. The innovative TAMAN process for the pulp and paper and the food industries. – Proc. 1985 CPPA Environ. Conf., Can. Pulp and Paper Ass., 1985, p. 25

188. Heijnen J.J., Enger W.A., Mulder A., Lourens P.A., Keijzers A.A., Hoeks F. Anwendung der anaeroben wirbelschicht-technik in der biologischen abwasserrejnigung. – GWF – Wasser/Abwasser, 1985, v. 126, p. 86

189. Enger W.A. Full – scale performance of a fluidized-bed in a two – stage anaerobic waste water treatment at Gist – brocades. – Proc. EWPCA Conf. on Anaerobic Treatment, Amsterdam, 1986, p. 297

190. Sutton P.W. Innovative biological systems for anaerobic treatment of grain and food processing. – 36th Starch Convention, Ass. Careal Research, Detmold, FRG, 1985

191. Lettinga C.S., van Velson W., Hobma W., Zeeuw W., Klapwyk A. Use of upflow sludge blanket reactor concept for biological waste water treatment especially for anaerobic treatment. – Biotechnol. Bioeng., 1980, v. 22, p. 699–734

192. Suidan M.F. Strubber C.R., Kao S.W., Pfeffer J.T. Treatment of coal gasification wastewater with anaerobic filter technology. – J. Water Poll. Contr. Fed., 1983, v. 55, p. 1263

193. Wang Y.T., Suidan M.T., Pfeffer J.T. Anaerobic activated carbon for the degradation of polycyclic N – aromic compounds. – J. Water Poll. Control. Fed., 1984. v. 56. p. 1247

194. Schras G., Jewell W.J. High rate conversions of soluble organics with a thermophilic anaerobic attached film expanded bed. – J. Wat. Poll Control Fed., 1984, v. 56, p. 226

195. METAHTEH^msd.com.ua

196. Нормы накопления ТБО. – Твердые бытовые отходы www.solidwaste.ru

197. Опубликовано: 11 Февраля 2013 (11:27) Пресс-служба Минприроды России, www.mnr.gov.ru.198. Москва – Википедия ru.wikipedia.org/wiki/Москва.

199. Особенности развития рынка переработки ТБО www.cleandex.ru в Москве…

200. Твёрдые бытовыеru.wikipedia.org/wiki

отходы – Википедия

201. Biogas Archives "www.greenoptimistic.com.

The Green

Optimistic,

202. Landfill Gas Recovery Systems www.AirAndGas.netTuthill Representatives

203. /www.airandgas.net/Landf…204. Ульяна Громова, www.rmnt.ru.

205. Биогаз – альтернативное топливо будущего / Альтернативная энергетика…www. pronedra.ru.

206. Biogas From Wikipedia, www.kabmir.com.

207. ОРУЖИЕ РОССИИ, Екатерина Кольцова, www.vk.com.

208. www.infuture.ru

209. «АЭнерджи» aenergy.ru

210. ТОО "ТехноАгроСервис" www.tass.kz.

211. Law on Feeding Electricity, wind-works.org.

212. Act on Granting Priority to Renewable Energy Sources, feed-in-cooperation.org.

213. Панцхава Е.С., Малашенко Ю.Р., Карпенко В.И. и др., Прикл. Биохим. Микробиол., 1984, № 20, стр. 340–348.

214. П а н ц х а в а Е. С., Б е р е з и н И.В. // Биотехнология.-1986.– № 2.-С.1-12.

215. Szikriszt G.//Bioenergy-84.– Ed.H.Egneus, A Ellegard, Els. Appl. Sci. Publ. London.-1985.-111.-P. 370–378.

216. Landfill = More Clean Energy for Your Seattle City Light. Seattle, www.bruceharrell.org.

217. Gerrish H.P., Lascarro J.F., Sengupta S., // Proc. Condem. Pap.. – Coral Gables., 1980, p. 606–612.

218. National and State lists of landfills and energy projects: Landfill Methane Outreach Program (LMOP) | US EPA www.epa.gov.

219. View Exhibit 17-1: Biodiesel Production Cycle in Text Format. ⁶ Texas Commission on Environmental Quality, Developing Landfill Gas Resources in Texas: A Status Report (Austin, Texas, November 2002), p. 7, http://www.tceq.state.tx.us

220. Energy Report – Landfill Gas – Texas Comptroller of Public Accounts www.window.state.tx.us.

221. Municipal landfill gas to electricity power sources in South Africa., www.urbanearth.co.za.

222. А с а до в а 3. Р., Т а п а л ц я н С. X., П а н ц х а в а Е. С.//Известия АН СССР: Сер. биологическая.-1987. № 3.

223. Pillai G.R., Krishnan P.P., Betrabet S.M.//Indian Text.J.-1983.-Vol.93.-P.53–57.

224. Т о р Ф//БСЭ. – 1977. ~ Т. 26. – С. 117 – 122.

225. Williams R.T., Crawford R.L.//Appl. And Environm. Microbi-ology.-1981.-Vol.47.-N6.-P.1266–1271.

226. Genung R.K. Hancher C.W., Rivera A.L. et al.//Biotechnol. And Bioeng. Symp..– 1982.-Vol.2.-P.365–380.

227. Ч и й о в е т Д., Г о ш С., К л а с с Д. // Биомасса как источник энергии.-М.: Мир.-1986.-С.281–306.

228. П а н ц х а в а Е. С. Альтернативные источники энергии// Сб. науч. тр. – М.: ЭНШ, 1983.-Ч. I.-С. 126–133.

229. Morley J.G., Jones J.M., Holt J.T.,// Int.Bioenergy Directory, Edt. P.F.Bente. Pul. Bioenergy Council. Washington.-1981.-P. 185

230. P.F. Bente. Pub. Bioenergy council. Washington 1981.-P.190.

231. Dujardin E.,Piron

FraipoutC.//Int.BioenergyDirectory.Ed.P.F.Bent

е. Pub.Bioe-nergy Council. Washington 1981.– P.196.

232. Sanze F., De Casabianka M.-L.-C., Codomier G. A.//Int. Bioenergy Directory.-Ed. P.F. Bente. Pub. Bioenergy Council. Washington 1981.– P. 199.

233. Алексеев В.В., Биосоляр,// М., Из-во МГУ, 1984, с. 5–16. 224.Brunetti N., Bonetti M., Marze P.//Int. Bioenergy Directory. Ed.

P.F. Bente. Pub. Bioenergy Council. Washington 1981.– P. 190.

225. Samson R., Le Duy A.//Biotechnology and Bioenergy.– 1982.-vol. 24.– P. 1919–1924.

226. П а т е н т Франции. № 8121605.-18.II.81,– Pub. 20.03.83.

227. Панцхава Е. С. Витаминные ресурсы и их использование// Сб. научи. тр. – М.: Изд. АН СССР, 1963.-С.15–40.

228. Панцхава Е.С., Пожарнов В.А., В перспективе Россия – крупнейший поставщик биотоплив на мировой рынок., ж. Энергия, № 6, 2005, стр. 10–19).

229. Профессионал. Информация по регионам СНГ. 28 % мировых запасов природного газа располагает Россия; www.prof.in.kz,

230. Сибирский Федеральный Округ. www.sibfo.m,

231. Панцхава Е.С., Пожарнов В. А., и др. Преобразование энергии биомассы. Опыт России, ж. Теплоэнергетика, № 5, 1996, стр. 33–38).

232. «Британцы подсчитали запасы нефти и газа России»). Россия занимает первое место по запасам природного газа, намного опережая другие страны. www.ksi.ru

233. В.В. Путин, Уренгой, 20 ноября 2001, yakute.elektra.ru, «АК «Якутэнерго». Обзор прессы».

234. Панцхава Е.С., Мировой рынок биотоплив глазами России., ж. Академия Энергетики, 2005 № 6, /04/, стр. 4–7.

235. Головков А.М., Лазарчик В.Е., Черкашина Н.Ф., Лазарчик В.М., Влияние нетрадиционного органического удобрения на урожай и качество сельскохозяйственных культур, Сб. Эколого-агрохимические проблемы воспроизводства плодородия почв в современных условиях. МГУ. 2004, стр. 56–61.

236. Energy Power Resources Limited, UK, B. Knight and A. Westwood, Global Growth. The world biomass market, Renewable energy world, n 1, v/ 6, p. 118–127.

237. www.Rol.ru, Агенство «СеверИнформ».

238. Электростанции газогенераторные, солнечные и ветряные, паровые МИНИ-ТЭС, МИНИ-ГЭС. www.wt ru.

239. Швеция представила первый поезд на биогазе. www.Cnews.ru.

240. Погода и урожай. www.agrokuban.ru/analitica/weather.

241. Зерноуборочный комбайн «Русь»; www.asm-holding.ru.

242. Эффективность работы зерноуборочных комбайнов в хозяйствах Рязанской области; www.ryazagro.ru

243. Казаков Т.И., Марковский А.А., Продуктивность различных севооборотов в лесостепи Заволжья, Самарская государственная сельскохозяйственная академия. www.rbip.bookchamber.ru.

244. Лабиринт информации. Земледелец, www.godspeed.

pochtamt.ru.

245. Стоимость топлива. www.Krab.ru

246. Федерация профсоюзов Красноярского края; www.fpkk.ru

247. Зерно-он-лайн. Новости рынка зерна; www.zol.ru

248. Новые времена. www.nvsaratov.ru

249. Известия науки – Новости газавто., www.inauka.ru

250. Р3112194-0366-03 «Нормы расхода топлив и смазочных материалов на автомобильном транспорте» (Из-во «Проспект», М., 2004, 79 ст.

252. Панцхава Е.С., Пожарнов в.а., Российские биогазовые технологии и их коммерциализация. // Сб. трудов Международной конференции «Энергоэффективность крупного промышленного региона», 79 июня 2004 г., Донецт, Украина.

253. Горбунова Н.В., Брин Э.Ф., Варосян С.О. и др., Формальнокинетическая модель процесса метангенерации механически обезвоженных осадков городских сточных вод при использовании спонтанной анаэробной микробной ассоциации.// Прикладная биохимия и микробиология, 1990, т. 26, в. 5, с. 635–641.

254. Баадер В., Доне Е., Бренндерфер М. Биогаз: теория и практика. – М.: Колос.-1982.-148 с.

255. Handbook,, United Nations. – News-York.– 1983.

256. David W. Reed1 Yoshiko FujitaMark E. Delwiche1, D. Brad Blackwelder1, Peter P. Sheridan2, Takashi Uchida3 and Frederick S. Colwell1 Microbial Communities from Methane Hydrate-Bearing Deep Marine Sediments in a Forearc Basin Applied and Environmental Microbiology, January 2007, p. 407–414, Vol. 73, No. 2.

257. Мусоросжигающий завод., www.greenevolution.ru.

258. Homepage.,www.sfb477.tu-bs.de.

259. PCL: Ox Mountain Landfill Gas to Energy., www.pcl.com.

260. vyrybalt.ru>RU/78/Биогаз.

Заключение

Топливно-энергетический комплекс России играет важную роль в экономике страны. На ее территории сосредоточено 1/3 мировых запасов природного газа, 1/10 нефти, 1/5 угля и 14 % урана. Через шесть лет (2020 г.) добыча нефти в России может откатиться к уровню 2004 года., В 2012 году уровень добычи нефти составил 518 миллионов тонн, через пять-семь лет этот показатель может сократиться до 420450 миллионов тонн. Современные проблемы энергетики могут быть решены только при рациональном использовании всех существующих на Земле и околоземном пространстве источников топлива и энергии

При условии, если к 30-50-м годам настоящего столетия в России электроэнергия и часть тепловой энергии будут производится АЭС, ГЭС и ВИЭ (ветер, вода, солнце, биомасса, приливы и т. д.), то двигатели внутреннего сгорания (мобильные и стационарные) будут, по-прежнему, использовать моторные топлива, в значительной степени получаемые из ископаемых углеводородов (нефть и природный газ).

К середине века потребление нефти в России на душу населения может достигнуть уровня США и тогда дефицит по нефти для РФ может составить более 300 млн. т в год. Этот недостаток необходимо будет заполнить производством альтернативных видов моторных топлив.

НУЖНА ЛИ ПРОМЫШЛЕННАЯ БИОЭНЕРГЕТИКА РОССИИ, ЗАНИМАЮЩЕЙ ВЕДУЩЕЕ МЕСТО В МИРЕ ПО ЗАПАСАМ И ДОБЫЧЕ ИСКОПАЕМЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ?

В 2010 г. в России насчитывалось 33,8 млн. легковых автомобилей.

По меркам США относительно общей численности населения в России должно быть 115.9 млн шт. легковых автомобилей.

В 2030 г расход топлива на прогнозируемое количество авто составит 145 млн. т или нефти понадобиться более 500 млн. т/год при 70 % выходе моторных топлив(бензина, керосина и ДТ) при крекинге нефти.

Прогноз добычи нефти в России до 2030 года по макрорегионам, 600,0 млн. тонн.

Производство авиационного керосина в России составляет около 9 млн. тонн в год. В США летают в 13 раз больше, чем в России.

По итогам 2011 года количество пассажиров, воспользовавшихся услугами авиатранспортной системы РФ, составило около 110 млн. авиапассажиров.

В России к 2030 г. может летать 420 млн. человек и расход керосина составит 25.7 млн. т/год (без учета ВВС) при протяженности полета одного авиапассажира на внутренних авиалиниях 3200 км.

Эффективность использования энергии является своего рода индикатором научно-технического и экономического потенциала общества, позволяющим оценивать уровень его развития. Сопоставление показателей энергоэффективности экономики России с развитыми странами показывает, что удельная энергоемкость нашего валового внутреннего продукта (ВВП) в несколько раз выше, чем в развитых странах. Уровень потребления электроэнергии в расчете на единицу сопоставимого ВВП в России выше, чем в США, в 2,5 раза, Германии и Японии в 3,6 раза. Это свидетельствует о значительных резервах экономии энергоресурсов в России, масштабы которых можно оценить ориентировочно в 40–50 % от уровня потребляемых топлива и электроэнергии. Энергоемкость ВВП превышает уровень, достигнутый в развитых странах Запада, в 3,5 раза, но это превышение неравномерно по отраслям.

В сравнении с северными странами энергоемкость в российских добывающих отраслях, лесной, целлюлозно-бумажной, пищевой промышленности почти такая же, в обрабатывающих отраслях превышение до 2 раз, в производстве стройматериалов до 3–4 раз, в теплоснабжении и теплопотреблении в пересчете на 1 м² отапливаемой площади в 4 раза. С учетом объемов теплопотребления становится ясно, что теплоснабжение определяет энергорасточительность экономики страны.

По данным Министерства энергетики, можно оценить затраты топлива на теплоснабжение в 450–470 млн т у.т./год (3 т у.т. на чел./год). Это половина потребления топлива в стране, т. е. столько же, сколько тратится на все остальные отрасли промышленности, транспорт и т. д. вместе взятые. Потребление топлива теплоснабжением равняется всему [1-20]. Снижение всего на 20 % потребления только газа, составляющего в топливном балансе почти 60 %, позволит сократить затраты на топливо на 1 млрд долл. США и увеличить экспортный потенциал страны на 5 млрд долл. США ежегодно. Причем увеличение топливному экспорту страны. т. е., 320 млн. т/год жидких углеводородов. экспортного потенциала не потребует разработки новых месторождений и реконструкции газопроводов от мест добычи в центр страны (2–3 тыс. км).

Объем теплопотребления по стране составляет около 1650 млн. Гкал/год. = 173.8 млн. т ТМ. Половина тепла расходуется на теплоснабжение жилых зданий, в том числе на отопление около 600 млн. Гкал.= 63.2 млн. т ТМ. При общей площади жилого фонда 2,8 млрд. м² [3] удельный расход тепла на отопление составляет 0,22 Гкал/м² год [121]. В 2013 году – производство тепловой энергии в России составило 618,4 млн. Гкал (65.1 млн. т ТМ) – прогноз ФСТ[1-22]. Потребление электроэнергии в 2013 году в России прогнозировалось на уровне 1064,6 млрд. кВт ч, что на 4,1 % больше показателя 2011 года и на 2,1 % превышает ожидаемое потребление в 2012 году.

Объемы потребления электроэнергии населением прогнозировалось на уровне 146,4 млрд. кВт ч, что на 1 % больше плана 2012 года.[1-23].

Предполагается, что доминирующим энергоносителем первой половины ХХI века будет природный газ. Его использование в качестве основного топлива обеспечит высокую энергетическую и экономическую эффективность производства.

Ранее указывалось, что дефицит может составить 300 млн. тонн нефти в год. При переходе на современные технологии крекинга он может уменьшится до 180 млн. тонн нефти в год.

Кроме возможного дефицита добычи нефти на изменение сырьевой структуры моторных топлив в России могут оказать значительное влияние стоимости добычи нефти.

Таким образом, в ближайшие десятилетия могут возникнуть две важнейших причины, которые могу оказать существенное влияние на изменение сырьевой структуры для производства моторных топлив, электроэнергии и тепловой энергии в России: 1) дефицит добычи нефти и 2) повышение ее стоимости.

И поскольку основным потребителем российского рынка углеводородов будут моторные топлива, то замену нефтепродуктов-моторных топлив надо искать среди возобновляемых источников энергии. И первым претендентом на это место является биоэнергетика: биоэтанол, биобутанол, биометан-биогаз, биоводород, сингаз, биобензин, биокеросин и биодизель.

Потенциальные объемы производства биотоплив из биомассы в России в ближайшие десятилетия могут составить более 800 млн. ту.т./год, и не будут уступать объемам ежегодной добычи нефти, угля или природного газа, (без учета биотехнологического восстановления дебита нефти на старых промыслах) (Годовой энергобаланс России – более 1600 млн. ту.т.).

Шесть китов» современной сырьевой базы для потенциального производства биотоплив в России:

1. ОРГАНИЧЕСКИЕ ОТХОДЫ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА.(80 млн. т у.т./год к 2020 г. – 154 млн. ту.т.),

2. ОТХОДЫ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА И ДЕРЕВООБРА-БОТКИ. (20 млрд. ту.т. – всего; ежегодно можно производить до 820 млн. ту.т. – интенсивная технология),

3. ТОРФ (Всего -60 млрд. ту.т. 10.7 млрд. ту.т. промышленный фонд, 100 млн. ту.т./год),

4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПЛАНТАЦИИ (минимум 270.9 млн. ту.т./год, 19.5 млн. га – 20 %, биогаз – 228.5 млн. ту.т., этанол – 41.9 млн. ту.т.),

5. БИОГАЗИФИКАЦИЯ ОСТАТОЧНОЙ НЕФТИ (21.5 млрд. тонн извлекаемой нефти с 1965 г.– 43 года),

6. ДОБЫЧА МЕТАНГИДРАТОВ (общие запасы – 10 трлн. тонн или 1 блрд. куб. м).

Более того, Россия в ближайшем будущем может поставлять 510 % мирового рынка биотоплив (т.з. западных экспертов). Потенциальные возможности России в плане широкомасштабного производства биотоплив огромны, но в настоящее время ее отставание от ведущих стран достаточно велико.

Важная роль в решении указанных проблем на современном этапе развития мировой экономики также отводится производству и использованию биотоплив.

Если оценивать потенциальные возможности современной России по вкладу растительной биомассы в энергетику, то эта цифра составит 255 млн. ту.т., или 1 млрд. куб. м общей древесины в год. Отходы – 222 млн. ту.т.

То есть ежегодно нужно будет вырубать 1/80 лесного массива России, или на восстановление допускается 80 лет.

Совместно с потенциальными возможностями АПК (только отходы) общий объем биотоплива к 2020 г. может составить 376 млн. ту.т

Швеция_при площади лесов 226 тысяч кв. км ежегодно заготавливает 80 млн. куб. м стволовой древесины.

Если это соотношение экстраполировать на площадь лесов России, то ежегодная заготовка стволовой древесины может составлять 2.96 млрд. куб. м, или 1.48 млрд. тонн, что по энергосодержанию равно 740 млн. т у. т./год.

Энергосодержание отходов лесосеки и деревообработки может составить 670 млн. ту.т.

Итого: 824 млн. ту.т.(с АПК)

Международный опыт по масштабной реализации биотехнологий в энергетике требует активного содействия государственных структур и разработки соответствующих государственных программ.

Государственная программа должна скоординировать и объединить усилия специалистов науки и КБ, а также машиностроительные предприятия и компании по широкому внедрению ВИЭ в регионах страны.

Потенциальные объемы производства биотоплив из биомассы в России в ближайшие десятилетия могут составить в год около 1500 млн. ту.т./год, и не будут уступать объемам ежегодной добычи нефти, угля или природного газа, годовой энергобаланс России – более 1600 млн. ту.т.

Россия обладает большим опытом промышленного производства биотоплив из биомассы. СССР было первой страной в мире, которая в конце 60-х годов прошлого столетия освоила широкомасштабное промышленное производство биотоплив (биобутанола, биоэтанола, биоацетона, биоводорода и биогаза) из биомассы.

Мировой опыт свидетельствует, что биоэнергетика должна развиваться как самостоятельный сектор экономики в рамках «большой» российской энергетики и в рамках Государственной программы по развитию биоэнергетики (далее – Госпрограмма).

При выполнении задач Доктрины продовольственной безопасности произойдет увеличение поголовья крупного рогатого скота, свиней и птицы, что приведет к резкому увеличению отходов до 1200 млн. тонн.

Биоэнергетика позволит так же решить задачи переработки отходов лесопромышленного, пищеперерабатывающего комплексов, стоков ЖКХ.

Перед страной поставлена серьезная задача по увеличению использования ВИЭ в общем объеме производства энергии с 1 % до 4,5 % к 2020 году. Решение поставленных задач на 80 % возможно за счет биоэнергетики.

Об авторе:

Панцхава Евгений Семенович. Родился в 1938 г. в г. Москве.

В 1960 г. окончил Биолого-почвенный факультет по кафедре «Микробиология», руководимой академиком В.Н. Шапошниковым, Московского государственного Университета им. М.В. Ломоносова.

С 1958 г. по 1969 г. выполнял курсовые и дипломную работы в лаборатории «Геологическая деятельность микроорганизмов» у член-корр. АН СССР С.И.Кузнецова в Институте Микробиологии АН СССР.

С 1960 г. по 1989 г. работал в Институте биохимии им. А.Н. Баха АН СССР в лаборатории «Витаминов», руководимой член. – корр. АН СССР В.Н. Букиным.

С 1989 г. по 2008 г. работал в ЗАО Центр «ЭкоРос» в должности зам. Генерального директора.

В 1964 г. защитил диссертацию на ученое звание кандидата биологических наук.

В 1978 г. защитил диссертацию на звание доктора биологических наук.

С 1965 г. по 1966 г. работал стажером – исследователем в лаборатории проф. Киоши Ямада Агрохимического факультета Токийского государственного Университета (Япония).

Член Президиума Комитета по проблемам применения возобновляемых источников энергии РосСНИО.

Имеет более 300 научных работ в области Метаногенеза (биология, микробиология, биозимия, молекулярная биология, биотехнология, промышленные технологии, конструирование биоэнергетических – биогазовых установок и биореакторов-метантенков) и Биоэнергетики.

Оглавление

Предисловие

Часть первая Биоэнергетика: мир и Россия

  Глава 1. Введение

    1.1. Биоэнергетика – самостоятельный сегмент мировой энергетики

    1.2. Биотопливо третьего поколения

    1.3 История развития промышленной биоэнергетики в России

    Литература

  Глава 2. Биомасса

    2.1. Биомасса – сырье для производства топлив и энергии

    2.2.Источники биомассы

    2.3. Энергетический потенциал биомассы России

    Литература

  Глава 3. Общие вопросы биотоплива и биоэнергетические технологии

    3.1. Поколения растительных биотоплив [3-36]

    3.2. Растительное сырье разделяют на три поколения

      3.2.1. Растительное сырье первого поколения

    3.3. Растительное сырье второго поколения

    3.4. Растительное сырье третьего поколения

    3.6. Зачем нужны биотоплива

    3.7. Мировой возобновляемый энергетический ресурс

      3.7.1. Твердое топливо

        3.7.1.1. Использование древесного топлива и торфа

        3.7.1.2.Дрова

        3.7.I.3. Древесные гранулы

        З.7.1.4. Древесная щепа

        З.7.1.5. Энергетические леса

        З.7.1.6. Переработка мусора.

      3.7.2. Жидкое биотопливо

        З.7.2.1.Использование биоэтанола

        3.7.2.3.Биометанол

        3.7.2.4. Биобутанол

        3.7.2.4. Диметиловый эфир (ДМЭ)

        3.7.2.5.Биодизель

        3.7.2.6. Производство биодизеля

      3.7.3. Газообразное топлив

        3.7.3.I. Биогаз

        3.7.3.2. Биоводород

      3.7.4. Синтез-газ

    3.8. Биотоплива третьего поколения

    3.9. Получение моторных топлив из газов газификации растительной биомассы

    3.10. Биотопливо – плюсы и минусы

    3.11. Термохимическая конверсия биомассы в топливо

    3.12. Биотехнологии

    3.13. Вклад биомассы в мировое производство энергии

    3.14. Масштабы современного производства биотоплив в мире по основным технологиям

      3.14.1. Производство пеллет

      3.14.2. Газификация

      3.14.3. Пиролиз

      3.14.4. Получение биоэтанола

      3.14.5. Другие виды биотоплив

    3.15. Потенциальные возможности развития биоэнергетики в России и современное состояние

      3.15.1. Использование древесины

      3.15.1.1. Газогенерация и пиролиз

      3.15.1.2. Получение этанола

        3.15.1.2.1. Меласса

        3.15.1.2.2. Картофель

        3.15.1.2.3. Сладкое сорго

    3.16. Получение биоводорода

    3.17. Биодизельное топливо – перспективы производства в России

    Литература

  Глава 4. Технологии, используемые для производства исходного сырья из биомассы для синтеза моторных топлив разного класса

    4.1. Термохимические технологии

      4.1.1. Прямое сжигание

      4.1.2. Пиролиз

      4.1.3. Газификация

      4.1.4. Коммерческие и демонстрационные установки газификации биомассы с целью выработки теплоты в Европейских странах и США [4–5]

        4.1.4.1. Газификатор Bioneer с восходящим движением газа

        4.1.4.2. Газификатор Pyroflow с циркулирующим кипящим слоем

        4.1.4.3. Газификатор Lurgi с циркулирующим кипящим слоем

        4.1.4.4. Газификатор PRM Energy Systems с восходящим движением газа

        4.1.4.5.Другие газификаторы

      4.1.5. Сжижение

      4.1.6. Быстрый пиролиз

      4.1.7. Синтез

      4.1.8. Синтетические топлива

    4.2. Биотехнологии

      4.2.1. Биогазовые технологии

      4.2.2. Биогаз полигонов ТБО (свалочный газ)

      4.2.3. Производство этанола

      4.2.4. Биодизельное топливо

      4.2.5. Получение тепловой энергии активным компостированием (микробное окисление)

    4.3. Химико-каталитическая конверсия продуктов расщепления растительных полимеров в жидкие углеводороды

      4.3.1.Применение биотоплива в авиации

      4.3.2. Применение биотоплива в других видах транспорта

    4.4. Получение моторных топлив из газов [4-16]

    4.5. Газификации растительной биомассы в России[16]

    4.6. Новые научные разработки за рубежом – НИОКР [4-17]

    Литература

  Глава 5. Сырье для биоэнергетики

    5.1.Виды биомассы

    5.2.Топливо из биомассы (сырье) [17]

      5.2.1. Древесные отходы

      5.2.2. Отходы сельского хозяйства

    5.3. Использование топлива из биомассы

    5.4. Клетчатка [5-38]

      5.4.1. Микрокристаллическая клетчатка [5-34]

    Литература

  Глава 6. Твердое биотопливо

    6.1. Дрова

    6.2. Топливные гранулы и брикеты

    Литература

  Глава 7. Жидкое биотопливо

    7.1. Введение

    7.2. Жидкие биотоплива

      7.2.1. Биоуглеводороды

      7.2.2. Биоэтанол [7–6]

      7.2.2.Сырьё для производства биоэтанола

      7.2.3. Промышленное производство спирта из биологического сырья

      7.2.4.Гидролизное производство

      7.2.5.Энергоэффективность этанола

      7.2.6.Топливный баланс этанола

      7.2.7.Экологические аспекты применения этанола в качестве топлива

      7.2.8. Автомобили, использующие биоэтанол в качестве топлива

      7.2.9. Биоэтанол, производство биоэтанола [7-17]

      7.2.10. Национальные программы по производству и использованию биоэтанола

      7.2.12.Прогноз развития рынка биоэтанола в Китае [7-19]

    7.3. Биометанол [7-20]

      7.3.1. Получение метанола из водорослей

    7.4. Биобутанол [7-23]

      7.4.1. Экологические Преимущества

      7.4.2.Энергетическое содержимое биобутанола и эффект экономии топлива

      7.4.3.Октановое число бутанола

      7.4.4. Воздушно-топливный коэффициент бутанола

      7.4.5. Специфическая энергия

      7.4.6. Потенциальные проблемы с использованием бутанольного топлива

      7.4.7.Возможные бутанольные смеси топлива

    7.5. Диметиловый эфир [7-29]

      7.5.1.Организация концерна «Volvo Group» [7-30]

      7.5.2.Важное преимущество ДМЭ

    7.6. Биодизель [7-33]

      7.6.1.Технология производства

      7.6.2. Сырьё для производства

      7.6.3. Биодизель из водорослей [7-37]

      7.6.4.Экологические аспекты применения и производства. Применение

      7.6.5.Производство

      7.6.6.Ультразвуковая переэтерификация масел в биодизель [7-40]

    7.7. Синтетический бензин

    7.8. Керосин. Создание реактивного топлива из биомассы [7-42]

      7.8.1. Свойства и состав

      7.8.2. Авиакеросин

      7.8.3. Ракетное топливо

    7.9. Бензин [7-43]

    7.10. Авиационное биотопливо

    7.11. Летаем на биотопливе [7-44]

    7.12. Первый полет на биотопливе в латинской америке [45]

    7.13. Флора, продуцирующая природные углеводороды – сырье для производства моторного топлива

    7.13. Биотопливо в авиации: демонстрация озабоченности [7-54]

    Литература

  Глава 8. Третье поколение биотоплив – получение биотоплива из водорослей

    8.1. Золотая" солярка из водорослей [8–4]

    8.2. Биотопливо и биомассы

    8.3. Альтернативная энергетика – биотопливо

    8.4. Эйхорния

      8.4.1. Получение биогаза и электроэнергии

      8.4.2. Получение искусственной нефти из Эйхорнии

    8.5. Биотопливо из водорослей – решение найдено

    8.6. Качественный газ из Днепра – для нас!

    8.7. Водоросль и решение глобальных проблем

    8.8. Производство биодизеля из водорослей

    Литература

  Глава 9. Оборудование для получения биотоплива

    9.1. Оборудование для производства топливных брикетов

    9.2. Древесносжигающие котлы (пеллеты, щепа, брикеты, дрова)

      9.2.1. Малые котлы

      9.2.2. Автоматические котлы

      9.2.3. Использование древесных гранул и щепы в котлах с автоматической подачей топлива

      9.2.4. Котлы с ручным управлением

      9.2.5. Котлы с нижней подачей воздуха

      9.2.6. Котлы со встречной подачей

      9.2.7. Эффективность (КПД) котлов

      9.2.8. Бак-аккумулятор

      9.2.9. Выбор топлива

      9.2.10. Дымоход

    9.3. Типы котлов для щепы и гранул

      9.3.1. Компактные устройства

      9.3.2. Котлы с питателем

      9.3.3. Котлы с предтопком

      9.3.4. Соломосжигающие котлы (солома злаковых, стебли)

      9.3.5. Системы централизованного теплоснабжения

      9.3.5.1. Котел

      9.3.5.2. Требования к качеству соломы

      9.3.5.3. Системы отопления мощностью менее 1 мВт

      9.3.5.4. Котлы с автоматической подачей топлива

      9.3.5.5. Котлы для соломенных тюков

      9.3.5.6. Котлы для соломенных гранул

    9.4. Получение электроэнергии из биомассы

      9.4.1. Газификация [9–3]

      9.4.2. Совместное сжигание

      9.4.4. Пеллетные котлы

    9.5. Крупные газогенераторные станции

      9.5.1.Газогенераторная Электростанция мощностью 10 МВт на Возобновляемых Источниках Энергии

    9.6. Оборудование для производства биоэтанола

    9.7. Оборудование для производства биодизельного топлива

    9.8. Малые биогазовые установки

      9.8.1. Метантенк

      9.8.2. Газгольдер или емкость для хранения биогаза

      9.8.3. Система загрузки

      9.8.4. Система выгрузки

      9.8.5. БУ с плавающим газгольдером

      9.8.6. БУ с твердым куполом

      9.8.7. БУ с отдельным газгольдером

      9.8.8. БУ с мягким газгольдером

    9.9. Когенерационные электрогенераторы

    Литература

  Глава 10. Состояние и развитие биоэнергетики в мире

    10.1.Запасы, производство и потребление нефти по странам мира

    10.2. Вклад биомассы в мировое производство энергии

    10.3. Концепция развития биоэнергетики в Украине

    10.4. Передовая украинская технология производства биотоплива из водорослей

    10.5. Производство биотоплива из эйхорнии [10-9]

      10.5.1. Китай инвестирует производство биоэтанола в Украине [10–10]

    10.6. Развитие биоэнергетики в США

      10.6.1. Рынок нефти в США

      10.6.2. Субсидии на биотопливо в США [10–11]

      10.6.3. США. Нефть, газ, уголь

      10.6.4. Производство биотоплива – удел избранных

      10.5. Биодизель из кофейных зерен

      10.6.6. Роль Пентагона в развитии биоэнергетического рынка США

      10.6.7. «Нефтезависимость страшна не только экономически»

      10.6.8. Нужен океан водорослей

      10.6.9. Счета могут быть не оплачены

      10.6.10. Пентагон не поскупился на покупку биотоплива [10–32]

      10.6.11. Биотопливо и автотранспорт Минобороны США

      10.6.12. Истребители F-16 проверят биотопливом [10–34]

      10.6.13. США будет производить биотопливо для авиации и флота [10–37]

      10.6.15. В США создают новую технологию получения биотоплива. [10–42]

      10.6.16. Биотопливо и железнодорожный транспорт в США [10–43]

    10.7. Субсидии на биотопливо в отдельных странах ОЭСР

    10.8. Европейская политика биотоплива

      10.8.1. Европейская политика биотоплива

      10.8.2. В ЕС повышаются объёмы импорта биодизеля [10–47]

      10.8.3. Налоговый климат

    10.9. Развитие биоэнергетики в отдельных странах ЕС

      10.9.1. Субсидирование производства биотоплива в ЕС [10–60]

      10.9.2. Биодизель в качестве альтернативного моторного топлива

      10.9.3. Швеция [10–65]

      10.9.4. Финляндия

      10.9.5. Норвегия

      10.9.6. Нидерланды

      10.9.7. Франция

      10.9.8. Швейцария

      10.9.10. Соединенное королевство

      10.9.11. Канада

      10.9.12. Индия

      10.9.13. ОАЭ [10–83]

      10.9.14. Япония

      10.9.15. Бразилия

      10.9.16. Китай

      10.9.17. Австралия

      10.9.18. Индонезия

      10.9.19. Таиланд

    Литература

  Глава 11. Биотоплива для авиации и транспорта

    11.1. Авиация

      11.1.1. Финская компания NesteOil

      11.1.2. Шведская биотопливная компания «Swedish-Biofuels»

      11.1.3. Биотопливо BtL – Biomass-to-Liquid

      11.1.4. Технология компании Licella

      11.1.5. Испытания летательных аппаратов на биокеросине

      11.1.6. Промышленная экология

      11.1.7. Зелёное (Био-) топливо для авиации

      11.1.8. Самолетные выбросы (climate Institute)

      11.1.9. Авиация и изменение климата

      11.1.10. Авиационное биотопливо [11–10]

      11.1.11. Европейских инициативы по коммерциализации авиационного биотоплива в Европе [11–24]

      11.1.12. Биотопливо в авиации – сырье и технологии преобразования [11–26]

      11.1.13. Alitalia и Solena договариваются о производстве биотоплива

      11.1.14. Немецкий авиаперевозчик

      11.1.15. Авиакомпания Qantas испытает биотопливо из морских водорослей [11–35]

      11.1.16. Водоросли для биотоплива на Шри-Ланке, Китае и Европе

      11.1.17. Топливо для реактивных двигателей из рыжика, ятрофа, и водоросли

    11.2. Моторные топлива [11–37]

      11.2.1. Получение гамма-валеролактона

      11.2.2. Способ получения левулиновой кислоты [11–38]

      11.2.3. Биотопливо для транспорта США

      11.2.4. Биотопливо для транспорта ЕС

      11.2.5. Компания «Тайота» и биотоплива

      11.2.6. Газогенераторные автомобили Финляндии [11–48]

      11.2.7. Экологичные автомобили [11–49]

      11.2.8. Транспорт на топливных элементах

      11.2.9. Биотопливо для автомобильного транспорта

      11.2.10. Биометан для транспорта

    Литература

  Глава. 12. Биоводород

    12.1. Свойства водорода

    12.2. Водородная энергетика

    12.3. Водород в авиации

    12.4. Достоинства водорода

    12.5. Водород – как сырье для химии

    12.6. Биофотолиз

    12.7. Фотолиз и фотокатализ

    12.8. Искусственные фотокаталитические системы разложения воды

    12.9. Технологии фотолиза воды

    12.10. Видимый свет и фотокаталитическое получение водорода

    12.11. Современные технологии [12–16]

    12.12. Водородный транспорт

    12.13. Мобильные топливные элементы

    12.14. Двигатель внутреннего сгорания и водород

    12.15. Этапы перехода к водородной энергетике

    12.16. Водородный беспилотный самолет завершил первый испытательный полет

    Литература

  Глава 13. Син-газ

    13.1. Биотопливо нового поколения – син-газ

    13.2. Термохимическая конверсия биомассы

    13.3. Обзор современных технологий газификации биомассы [13-4]

    13.4. Экономические аспекты процесса газификации БМ с целью получения тепла

    13.5. Производство электроэнергии при газификации биомассы

    13.6. Использование син-газа

    Литература

  Глава 14. Биоуглеводороды

    14.1. Основные направления биопродуцирования углеводородов

    14.2. Генномодифицированные продуценты биоуглеводорордов

    14.3. Botryococcus braunii (Bb) продуцент углеводородов

    14.4. Биобензин и биокеросин

    14.5. Производство био-изобутанола и далее био-jet-реактивного топлива [14–10]

    14.6 Катализновые процессы производства углеводородного биотоплива [14–12]

    14.7. BioForming

    14.8. Химические вещества из углеводов Biorefinery [14–15]

    14.9. Изопрен

    14.10. Другие углеводороды

    14.11. Создание генномодифицированных штаммов водорослей-супер-продуцентов биоуглеводородов или Новая надежда К. Вентера: Синтетические Водоросли для биотоплива[14–16]

    14.12. Биотопливо из водорослей. Часть вторая: путь вперед [14–18]

    14.13. Использование катализатора H + ZSM-5 при Каталитическом пиролизе зеленых водорослей для производства углеводородов [14–20]

    14.14. Биодизель из водорослей, Соединенные Штаты Америки [14–21]

    Литература

  Глава 15. Биотопливный потенциал России. Современное состояние и перспективы развития

    15.1. Россия. Современное состояние проблемы по разработке технологий и производств моторных биотоплив из биомассы

    15.2. Существует ли альтернатива нефти?

    15.3. Лесная древесина – основное сырье для промышленного производства биоуглеводородов в России

    15.4. Биотопливо из древесины

    15.5. Энергетическое использование древесных отходов как основа безотходности лесозаготовительного производства

    15.6. Технологии и оборудование лигноцеллюлозной биоэнергетики

    15.7. Древесная целлюлоза – основное сырье для российской биоэнергетики (моторные и реактивные топлива)

    15.8. Экологически чистые битоплива [15–23]

    15.9. Состояние и тенденции развития лесопромышленного комплекса России. [15–25].

    15.10. Биотопливо

    15. 11. Использование технологии кипящего слоя для утилизации древесных отходов с получением тепла и энергии. Отечественный опыт [15–26]

    15.12. Производство биобутанола из целлюлозы [15–27, 15–28]

    15.13. Производство диметилового эфира. Надежды конструкторов, водителей и экологов [15–30]

    15.14. Производство биодизельного топлива

    15.15. Малотоннажная технология получения дизельного топлива из древесных отходов и торфа [15–47]

    15.16. Биодизельное топливо из соломы [15–33]

    15.17. Мини-завод шаха «потрам-лигнин-пиролиз» по переработке лигнина, опилок, щепы в бензин и дизтопливо [15–34]

    15.18. Энергетические установки на генераторном газе

    15.19. Отходы лесопромышленного комплекса – топливо для теплоэлектростанций

    15.20. Автотракторная техника на генераторном газе

    15.21. Классификация газогенераторов и их конструкции [15–44]

    15.22.Технологические схемы газогенераторных установок [15–44]

    15.23. Потенциальные возможности России по созданию электростанций на отходах ЛПК, АПК и торфа

    15.24. Двигатель внутреннего сгорания, работающий на воде [15–40]

    15.25. Генератор синтез-газа – первый шаг к водородной энергетике [15–41]

    15.26. Водородная энергетика в России [15–45]

    Литература

  Глава 16. Технические характеристики, международный опыт и целесообразные объемы создания электростанций на основе использования биомассы в РФ

    16.1. Введение

    Литература

Часть вторая Метаногенез. Теория и практика

  Раздел первый Метаногены – представители царства (домена) археа

    Глава 17. Введение

    Глава 18. Метаногены

      18.1. История исследования биогенного метана

      18.2. Природный метаногенез

    Глава 19. Таксономия и эволюция метаногенов

    Глава 20. Метаногены и экстремальные условия их развития

      20.1. Сравнительная геномика и молекулярные характеристики

      20.2. Ферментативный метаболизм

      20.3. Классификация метаногенов [29]

      20.4. Геологические эпохи эволюции земли

      20.5. Временная шкала возникновения и эволюции живого, начиная с эона археа

    Глава 21. Энергетический обмен ментаногенов [34]

      21.1. Хемоосмос в археях

      21.2. Энергетика метаногенеза

      21.3. Биоэнергетика ацетил-КоА пути в Archaea и бактерий: сходства и различия

      21.4. Атефазы метаногенов

    Глава 22. Экстремальные гипертермофильные метаногены

    Глава 23. Роль мембран в биосинтезе метана и получения энергии в виде АТФ

    Глава 24. Метаногены и влажность [82]

    Глава 25. Метаногены и рН-среды

    Глава 26. Метаногены и минерализация

    Глава 27. Роль порфиринов, никеля и кобальта в биосинтезе метана

    Глава 28. Липиды архебактерий. изопрены метаногенов

    Глава 29. Архебактерий, восстанавливающие сульфаты и образующие метан

    Глава 30. Анаэробное окисление метана археями

    Глава 31. Атмосфера

    Глава 32. Выживаемость метаногенов

    Глава 33. Метаногены и образование ископаемых углеводородов

    Глава 34. Метаногены и нефть

    Глава 35. Метаногены, гидросфера и атмосфера. Климат

    Глава 36. Энергетика будущего тесно связана с далеким прошлым нашей планеты

  Раздел второй Биогаз и его производство

    Подраздел первый

      Глава 37. Что такое биогаз?

      Глава 38. Исторические корни биогазовых технологий

      Глава 39. Развитие биогазовой промышленности в России (ранее в СССР)

      Глава 40. Биологическая природа образования биогаза (биометана)

      Глава 41. Причины развития биогазовой промышленности в России

      Глава 42. Биогазовые технологии и их классификация

        42.1. Основные технологические принципы и особенности классификации технологий метангенерации

          42.1.1. Технологические принципы и особенности. Сырье и его особенности

          42.1.2. Влияние температуры ферментации

          42.1.3. Время удерживания

          42.1.4. Скорость загрузки биореактора

          42.1.5. Перемешивание

          42.1.6. Наиболее распространенные используемые технологические схемы биогазовых устаноавок и систем

        42.2. Классификация технологий метангенерирования

          42.2.1. Классификация реакторов-метантенков

          42.2.2. Основы классификации процессов метангенерирования

          42.2.3. Принципиальные конструктивные схемы метантенков-биореакторов

        42.3. Реакторы I типа

          42.3.1. Традиционные метантенки

          42.3.2. Реакторы II типа

          42.3.3. Реакторы без фиксации биомассы (Системы со взвешенным илом)

            42.3.3.1. Анаэробный контактный реактор

            42.3.3.2. Анаэробный реактор со слоем активной гранулированной биомассы (UASB-реактор)

            42.3.3.3. Реакторы с фиксированной биомассой (Анаэробная очистка на фильтрах)

              42.3.3.3.1. Анаэробный фильтр

              42.3.3.3.2. Метантенк с фиксированным на носителе слоем биомассы

              42.3.3.3.3. Реакторы с псевдоожиженным слоем

              42.3.3.3.4. Новые решения в конструкциях анаэробных метантенков

      Глава 43. Метантенки промышленные

    Подраздел второй

      Глава 44. Экспресс-технология переработки ТБО методом рециркуляционно-твердофазной термофильной метангенерацией

    Подраздел третий

      Глава 45. Современная биогазовая промышленность в мире

      Глава 46. Применения биогаза на транспорте

        46.1. Использование биометана в грузовом автотранспорте. Замена дизельного топлива на экологически чистый Биометан, изготовленный из сельскохозяйственных отходов

        46.2. В Торонто разрабатывают мусоровозы, работающие на биотопливе

      Глава 47. Кому выгодно строить биогазовую установку?

      Глава 48. Применение биогазовых технологий в народном хозяйстве. Мировой опыт

        48.1. Установки промышленного типа

      Глава 49. Биогаз в прибалтийских республиках, Республиках Казахстан и Кыргистан

    Подраздел четвертый

      Глава 50. Применение биогазовых технологий в сельскохозяйственном производстве Германии

        50.1. Технологические требования к переработке сельхозотходов

          50.1.1. Сырье и субстраты [3]

          50.1.2. Одно и многоступенчатый процесс

          50.1.3. Благоприятная среда обитания бактерий

          50.1.4. Контроль и управление процессом. [3]

          50.1.5. Органические удобрения, получаемые в крестьянском/фермерском хозяйстве (местные удобрения) [3]

    Подраздел пятый

      Глава 51. Новые технологии и виды сырья для получения биогаза

        51.1. Конверсия твердых органических веществ в биогаз, или твердофазная метангенерация

        51.2. Переработка городского мусора

        51.3. Переработка сельскохозяйственных отходов

        51.4. Переработка высококонцентрированных осадков сточных вод

        51.5. Получение биогаза из торфа

        51.6. Бактериальная газификация остаточной нефти

        51.7. Использование методов иммобилизации бактериальных ассоциаций для интенсификации процессов метангенерации

        51.8. Использование растительной биомассы для получения биогаза

        51.9. Экология и энергетика

          51.9.1. Комбинорованные технологии получения энергии из биомассы (органических отходов) и их роль в защите окружающей среды и экономике сельскохозяйственного производства России

          51.9.2. Экология и биоэнергетика

          51.8.3. Биоэнергетика и экономика сельскохозяйственного производства

      Литература 2-й части

Заключение

Об авторе:

Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg