Биотопливо не является чем-то новым. Например, дрова, это хорошо известное всем, биотопливо. Самыми распространенными видами биотоплива в современном мире являются этанол, биодизель и биогаз. В отличие от углеводородов, биотопливо возобновляемый ресурс. Биотопливо не так загрязняет окружающую среду, как нефтепродукты. Как альтернативный источник энергии, оно представляет интерес тем, что может использоваться как горючее для двигателей внутреннего сгорания. Также есть технологии производства биотоплива из бытовых отходов, что позволяет решить проблему мусорных свалок.
Виды биотоплива
Биотопливо бывает твердое – дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, лузга; жидкое – этанол, метанол, биодизель; и газообразное – биогаз. В истории развития производства биотоплива можно выделить три этапа. Первый этап – это использование пищевых продуктов: кукурузы, сахарного тростника для получения этилового спирта. На втором этапе используются отходы пищевого производства, содержащие целлюлозу и лигнин, для которых используются химические способы переработки, после чего из них получают этанол и биодизель. Третий этап – использование водорослей в качестве сырья для изготовления топлива. На этом этапе не требуются большие земельные ресурсы.
Этанол
Первый автомобиль, работающий на этаноле, создал Генри Форд в 1880 году. В 1902 году на выставке в Париже были представлены более 70 карбюраторных двигателей, работающих на этаноле и смеси этанола с бензином. В настоящее время, всего в мире производится около 60 млн. тонн этанола в качестве топлива (данные 2009 года). Больше всего этанола в качестве автомобильного топлива, производит Бразилия – 45% от общемирового производства. В стране 29000 заправочных станций продающих этанол. На втором месте – США, производят 44,7% от мирового производства. В Соединенных Штатах около 170000 заправочных станций, где можно заправиться этанолом. В США «Энергетический билль», подписанный президентом Бушем в августе 2005 года, предусматривал производство 30 млрд. литров этанола из зерна ежегодно к 2012 году, и 3,8 млрд. литров из целлюлозы (стебли кукурузы, рисовая солома, отходы лесной промышленности).
В десятках стран мира, этанол используется в качестве добавки к бензину. Например, на Украине законодательно установлено содержание 7% этанола в автомобильном топливе. В Евросоюзе добавка до 6% этанола в автомобильное топливо является обязательной.
Водоросли – биотопливо третьего поколения
Биотопливо первого поколения – биодизель и этанол получаемый из кукурузы и сахарного тростника, требует больших сельскохозяйственных площадей. Часто его производство критиковали за то, что используются пищевые продукты, тогда как в мире миллионы людей голодают. Такой вид биотоплива представляют собой не слишком большую альтернативу традиционному топливу, так как требует больших ресурсов, и даже создает некоторые экологические проблемы.
Второе поколение биотоплива — использование отходов пищевого и деревообрабатывающего производства, а также специальных технических культур – рыжика, рапса, ятрофы, не требует использования пищевых продуктов, но все равно, либо требует посевных площадей, либо его производство ограничено объемом отходов.
Биотопливом третьего поколения стали водоросли. Водоросли – это главные производители органических веществ на Земле, на их долю приходится 80% всей произрастающей биомассы. Водоросли самые быстрорастущие растительные организмы, за сутки они способны удваивать свою массу. Для их роста необходимы только солнечный свет, вода и углекислый газ. Водоросли называют биотопливом третьего тысячелетия.
Впервые использовать водоросли в качестве источника топлива, предложили ученые в Германии в 1942 году. После Второй мировой войны начались исследования в США, Японии, Англии и Израиле. Хорошие результаты показали одноклеточные водоросли вида Хлорелла. Сухая масса водоросли хлорелла содержит в себе до 70% липидов, используемых для производства биотоплива. В 1978 году департамент энергетики США выделил на программу создания биотоплива из водорослей $25 млн. Из-за падения цен на нефть программа была приостановлена в 1996 году. В начале 21 века интерес к новым видам топлива снова возобновился. В США, Министерство энергетики, Министерство обороны, Министерство сельского хозяйства и Национальный научный фонд продолжили финансировать эти проекты. В отличие от других растений, водоросли дают с одной площади от 10 до 100 раз больше биотоплива. Также они очень неприхотливы в выращивании. Так, их выращивают в прудах с загрязненной водой, используемой для охлаждения на ТЭС. Многие водоросли важный компонент процесса биологической очистки сточных вод. Фирма Green Star Products в штате Монтана предложила штамм водорослей ZX-13, который продемонстрировал хорошую устойчивость к содержанию солей в воде. Этот штамм подходит для очистки сточных вод.
Выращивание водорослей не требует больших посевных площадей. Министерство энергетики США считает, что для замены всего нефтяного топлива, биотопливом из водорослей, потребуется 15000 квадратных миль (39000 км2). Это меньше чем 1/7 часть всех площадей для выращивания кукурузы в США.
Биотопливо используется не только для автомобилей, но и для авиации, где стандарты, предъявляемые к топливу значительно выше. Корпорация Chevron начала исследование возможностей использования водорослей в качестве источника энергии для реактивных самолетов. Компания Honeywell недавно начала проект по производству топлива из водорослей и растительных масел для военных реактивных самолетов.
Топливо из мусора
Есть три основных способа получения энергии из отходов. Один из самых распространенных это получение биогаза из навоза. Этот способ позволяет утилизировать огромное количество отходов сельского хозяйства или продуктов жизнедеятельности человека, и сократить выброс метана в атмосферу (более подробно в статье Биогаз). Другой способ, это технология свалочного газа, и третий способ – переработка отходов посредством пиролиза для получения газа, жидкого топлива, этанола.
Пиролиз – это процесс разложения сложных углеводородных (органических) веществ под воздействием высоких температур (450…850 °С), без доступа кислорода, на более простые углеводороды. Технология пиролиза – это безопасный, экологически чистый метод термической переработки отходов. Технология пиролиза позволяет перерабатывать практически все виды отходов: твердые бытовые отходы, автомобильные покрышки, медицинские отходы, резинотехнические изделия, отходы древесины, отработанное масло, отходы сточных вод, пластик всех видов, отходы нефтепереработки. Пиролиз отходов применяется в США, Франции, Германии, Японии и других.
Другой, пока что наиболее широко используемый способ использования мусора на свалках, это технология получения свалочного газа. Из мусора можно получать газ метан, который используется для отопления, получения электроэнергии и в качестве топлива для автомобилей. Утилизация твердых бытовых отходов, сама по себе глобальная проблема. В США ежегодно производится 230 млн. тонн твердых бытовых отходов. Большой проблемой таких отходов является выделяемый ими метан. Влияние метана на глобальное изменение климата в 23…25 раз больше влияния углекислого газа. Гниение мусора происходит под воздействием бактерий, принадлежащих к двум большим семействам: ацидогенов и метаногенов. Ацидогены производят первичное разложение мусора на летучие карбоновые кислоты, метаногены перерабатывают летучие карбоновые кислоты в метан и углекислый газ.
Первая современная мусорная свалка с применением специальных инженерных сооружений открылась в Калифорнии в 1937 году. Исследования и применение свалочного газа в США активизировалось после принятия в 1965 году закона об утилизации твердых отходов. Из 6 тыс. свалок, действующих в США (2004 год), около 360 собирают и утилизируют свалочный газ. К 2025 году США планируют получать 29 млрд. кВт·ч электроэнергии ежегодно из свалочного газа. В 2002 году в Европе действовало 750 объектов по получению свалочного газа, всего в мире – 1152, общая мощность производства энергии – 3929 МВт, объем обрабатываемых отходов – 4548 млн. т.
