Ludzie przyjeżdżają na pokazy lotnicze ILA w Berlinie przede wszystkim, żeby zobaczyć samoloty. Ale samoloty nie mogą latać bez paliwa i nie trwa to wiecznie, dlatego koncern EADS, twórca gigantycznych samolotów, przywiązuje dużą wagę do rozwoju paliwa przyszłości.
Jak mówi Rainer Weigner: „w tej niepozornej instalacji zwanej Fotobioreaktorem naukowcy z Instytutu Przemysłowego Wykorzystania Zboża, na zlecenie EADS, rosnąć glony które można wykorzystać do produkcji paliwa, glony potrzebują do wzrostu jedynie światła i dwutlenku węgla. Koncern wiąże duże nadzieje z tą metodą produkcji paliwa, inaczej by tego nie pokazał bioreaktor na swoim stoisku w Berlinie.
Tworzenie paliwa z surowców roślinnych nie jest nowym pomysłem; wykorzystuje się do tego już rzepak, ziemniaki i zboża – ryż, kukurydzę, pszenicę. „Pojawiają się w tym przypadku problemy przede wszystkim moralne i etyczne” – mówi Otto Pulte, pracownik naukowy instytutu. „W końcu do produkcji paliwa wykorzystuje się żywność, której w wielu częściach świata brakuje”. Naukowcy pracujący nad projektem na zlecenie EADS oferują swoją technologię rosnące glony i produkcja z nich nafty.
Algi są dobre, ponieważ rosną bardzo szybko i dostarczają dużej ilości substancji niezbędnej do wytworzenia paliwa. Ponadto glony mogą rosnąć wszędzie, a najważniejsze jest to, że nie marnujesz żywności na paliwo.
Na terenie instytutu pod Berlinem stworzono już duże, praktycznie przemysłowe instalacje rosnące glony. Jednak proces ten jest nadal zbyt kosztowny. 1 kilogram biomasy uzyskanej z alg kosztuje na rynku światowym od 10 do 20 dolarów. Taka produkcja może być opłacalna, jeśli kilogram kosztuje nie więcej niż 1 dolara. Oczywiście, jeśli włączysz to do przepływu produkcji, potrzebujesz milionów ton biomasy, a koszty można obniżyć. Dlatego naukowcy są optymistami.
Odbyły się już loty testowe samolotów napędzanych takim paliwem, można mieć nadzieję, że powstanie paliwo do silników odrzutowych z alg- stanie się dochodowym sektorem gospodarki.
Żadnej nafty, tylko glony – właśnie na tej zasadzie działa ten nowy produkt w przemyśle lotniczym. Samolot nowej generacji Diamentowy samolot DA42 krążący po berlińskim niebie paliwo z wodorostów. Lot pokazowy odbywa się w ramach międzynarodowych pokazów lotniczych. Zaprezentowano przyjazny dla środowiska cud – Europejski Koncern Obrony Powietrzno-Kosmicznej.
- « Paliwo z wodorostów bardziej energochłonny – o 5-10%, dodatkowo jego zaletą jest także jakość spalin, jest ona wyższa niż przy pracy na zwykłej nafcie.” Zdaniem producentów, biopaliwa Jest jeszcze jedna ważna zaleta: - „Biopaliwa można produkować wszędzie, wystarczy światło słoneczne, dwutlenek węgla, składniki odżywcze i miejsce, aby to zrobić”. Jednak istnieje biopaliwo z alg i jedna istotna rzecz, jest niezwykle kosztowna w produkcji.
„Nie mogę powiedzieć, ile ostatecznie będzie kosztował 1 litr paliwa z wodorostów, ale będzie znacznie droższy. Niestety nie osiągnęliśmy jeszcze poziomu, na którym moglibyśmy produkować go w dużych ilościach na sprzedaż.”
Odpowiadając na pytanie „Jak długo społeczność światowa będzie czekać na samoloty na biopaliwo?” Stulberger odpowiedział, że kolejne 5-10 lat.
Sustainable Green Technologies (SGT) opracowuje rozwiązania mające na celu zastąpienie paliw powodujących emisję gazów cieplarnianych procesem opłacalnym i przyjaznym dla środowiska. Zintegruje sposoby przetwarzania odpadów powstałych w wyniku produkcji alg w celu produkcji olejów do paliw i innych cennych produktów.
Algi, produkcja oleju i technologia SGT LipiTrigger™
Chociaż glony są wysoce wydajnymi konwerterami energii słonecznej na odnawialną biomasę, większość znanych naukowcom glonów magazynuje energię słoneczną w postaci cukrów, takich jak sacharoza czy skrobia, a nie w postaci olejków eterycznych (tłuszczów lub lipidów), tj. triacyloglicerydy lub fosfolipidy. W obecności światła, dwutlenku węgla i niektórych pierwiastków śladowych większość glonów magazynuje jedynie około 15-20% swojej suchej masy w postaci tłuszczu. Tylko pod pewnymi warunkami glony są w stanie przejść do procesu zwanego „wyzwalaczem lipidów” i przechowywać produkty fotosyntezy wewnątrz swoich komórek w postaci olejów, cenniejszej formy w porównaniu do cukrów.
LipiTrigger™ to opatentowana metoda firmy. Naukowcy z Sustainable Green Technologies Inc znaleźli prosty i skuteczny sposób na zmuszenie glonów do syntezy większej ilości olejków (od 15 do ponad 50 procent suchej masy) bez zakłócania wzrostu. Jeśli glony będą w stanie syntetyzować więcej olejów i osiągnąć wyższe tempo wzrostu niż rośliny oleiste, umożliwi to produkcję większej ilości biopaliw i doprowadzi do niższych cen.
Dlaczego ekopaliwo?
Zasoby paliw kopalnych, takich jak węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny, są nieodnawialnymi źródłami energii i stopniowo się wyczerpują. Stosowanie paliw kopalnych w silnikach spalinowych lub turbinach gazowych powoduje uwalnianie do atmosfery gazów cieplarnianych i innych składników szkodliwych dla środowiska. Świat zużywa obecnie około 30 miliardów baryłek (lub 1,26 biliona galonów) ropy rocznie, czyli 82 miliony baryłek (lub 3440 milionów litrów) ropy dziennie. Eksperci ostrzegają, że wydobycie ropy naftowej w najbliższym czasie nie dotrzyma kroku rosnącemu światowemu popytowi.
Zielone algi są łatwe w utrzymaniu, szybko rosną i występują w wielu gatunkach, które wykorzystują energię światła słonecznego do przeprowadzenia fotosyntezy. Fotosynteza to proces biologiczny, w wyniku którego z dwutlenku węgla (CO2) i wody wytwarzana jest biomasa (cukry lub lipidy), tlen i wysokoenergetyczne cząsteczki ATP (trifosforan adenozyny). Całą biomasę, zarówno cukry, jak i tłuszcze, można przekształcić w biopaliwa, najczęściej bioetanol i biodiesel. Dodatkowo, ponieważ glony pochłaniają CO2 w procesie fotosyntezy, są idealnym, tanim i przyjaznym dla środowiska sposobem na skuteczne usuwanie tego gazu z atmosfery.
Glony zielone są krewnymi innych roślin zielonych, które również przeprowadzają proces fotosyntezy. Należą do najbardziej prymitywnych form życia roślinnego, a proces fotosyntezy u zielonych alg przebiega w taki sam sposób, jak u innych roślin. Ponieważ wiele zielonych glonów to małe organizmy i mają proste struktury komórkowe, są one bardziej wydajnymi konwerterami światła słonecznego niż rośliny wyższe i rosną bardzo szybko. Dodatkowo, ponieważ glony rosną w środowisku wodnym, mają sprawny dostęp do głównych składników potrzebnych do fotosyntezy – wody i dwutlenku węgla.
Czym są oleje z alg?
Zielone algi są wszechstronne pod względem metabolicznym i wytwarzają związki ważne dla odnawialnej biomasy bezpośrednio ze światła słonecznego. Potrafią syntetyzować celulozę, polimer glukozy, jako część własnych ścian komórkowych, magazynować skrobię jako składnik odżywczy i, co ważniejsze, magazynować znaczne ilości lipidów i kwasów tłuszczowych jako magazyny energii. Tłuszcze wytwarzane przez algi są chemicznie bardzo podobne do nasion oleistych i są magazynowane w postaci triacyloglicerydów.
Co to są triacyloglicerydy (TAG)?
TAG w algach to chemiczna podstawa przyszłej gospodarki ekologicznej. Ze względu na swój charakter chemiczny TAG (lub triacyloglicerydy) są cząsteczkami składającymi się z trzech długich łańcuchów kwasów tłuszczowych połączonych z jedną cząsteczką glicerolu. TAG (tłuszcze i lipidy) w obecności prostych alkoholi i katalizatora można przekształcić w estry kwasów tłuszczowych (biodiesel) w procesie zwanym transestryfikację. Przeprowadza się ją chemicznie, stosując wodorotlenki alkaliczne, lub biochemicznie, stosując enzymy zwane lipazami. Ponieważ właściwości fizykochemiczne biodiesla są bardzo podobne do oleju napędowego z ropy naftowej, olej z alg stanowi bardzo atrakcyjne alternatywne źródło do produkcji biodiesla. Kolejną ważną zaletą jest to, że nie konkuruje z rynkami żywności.
Jak szybko rosną algi?
Wysoka wydajność fotosyntezy u glonów wynika z ich niewielkich rozmiarów. Skutkuje to zwiększoną produkcją biomasy w porównaniu z uprawami takimi jak olej palmowy, rzepak, soja i kukurydza. Zawierają znacznie więcej oleju w przeliczeniu na suchą masę niż obecnie wykorzystywane rośliny uprawne. Niektóre wodorosty zawierają ponad 50% oleju ekstrakcyjnego w przeliczeniu na suchą masę, czyli ponad dwukrotnie więcej oleju niż palmy oleiste.
Czy uprawa glonów jest droga?
Glony mają stosunkowo proste wymagania wzrostu i rozwijają się w środowisku ubogim w skład mineralny. Glony potrzebują jedynie wody, światła słonecznego i dwutlenku węgla oraz znacznie mniej azotu niż rośliny rolnicze. Metabolicznie są bardzo wszechstronne. Niektóre glony mogą rosnąć nie tylko w warunkach fototroficznych (to znaczy w obecności światła i dwutlenku węgla jako źródła węgla), ale także w warunkach heterotroficznych (to znaczy przy braku światła, ale w obecności glukozy i innych cząsteczki organiczne jako surowce). Heterotroficzna uprawa glonów wykorzystująca cukier jako źródło węgla prowadzi do znacznie wyższej zawartości oleju w algach w porównaniu z grupą kontrolną – glonami hodowanymi w warunkach fototroficznych. Jednakże zastosowanie glukozy (cukrów) do wzrostu heterotroficznych glonów i ekstrakcji oleju jest drogie i konkuruje z rynkiem żywności. Utrudnia to ekonomiczne wykorzystanie tej metody.
Jakie są koszty związane z uprawą glonów?
Chociaż światło słoneczne nie kosztuje, a jest go mnóstwo, 80% całkowitego kosztu uprawy alg obejmuje koszt surowców i składników odżywczych. Aby zdolność glonów do produkcji olejów stała się atrakcyjna komercyjnie, należy obniżyć koszty surowców i nawozów do uprawy. SGT opracowało i opatentowało niedrogą metodę wykorzystania przez glony własnych produktów fotosyntezy w celu uzyskania znacznej produkcji biomasy i oleju.
Prawdziwa alternatywa?
W ostatnich latach rosnąca światowa produkcja biodiesla z roślin i olejów roślinnych stała się droższa, częściowo ze względu na rosnące koszty nawozów i transportu. Produkcja olejów z zielonych alg z wykorzystaniem tanich odpadów jest bardzo atrakcyjną alternatywą dla biopaliw nowej generacji. Oczywistą zaletą stosowania oleju z zielonych alg zamiast oleju pochodzącego z roślin spożywczych jest to, że nie stanowi on konkurencji dla żywności i nie wpływa na ceny żywności.
Czy farmy alg są rozwiązaniem?
W 1980 roku programy badawcze na Wydziale Energii i innych laboratoriach skupiały się na tworzeniu dużych hodowli alg w najbardziej nasłonecznionych regionach Stanów Zjednoczonych.
W USA przetestowano kilka hodowli alg zlokalizowanych w otwartych, płytkich zbiornikach wodnych, wykorzystując emisję dwutlenku węgla jako surowiec dla alg. Jednak stawy glonowe w kształcie pierścienia miały kilka wad.
1. Ograniczona produkcja biomasy ze względu na małą głębokość stawu. Ten typ stawu jest płytki, aby glony miały dostęp do wystarczającej ilości światła słonecznego.
2. Duże prawdopodobieństwo kolonizacji stawów przez inne formy życia. System otwartych stawów jest podatny na kolonizację przez inne formy życia, które ostatecznie zaczynają konkurować z glonami o ważne składniki odżywcze, zmniejszając w ten sposób pożądaną produkcję biomasy.
3. Uzależnienie od lokalnych źródeł dwutlenku węgla w celu zapewnienia wysokiej produkcji biomasy. Ograniczona liczba odpowiednich źródeł o dużej emisji dwutlenku węgla, najlepiej elektrownie na paliwa kopalne.
4. Trudności w hodowli organizmów laboratoryjnych w otwartych stawach
Dlaczego technologia produkcji oleju z alg?
SGT opracowuje nowe technologie ekstrakcji olejków z zielonych alg. Opierają się one na autorskich procesach, które pozwalają firmie osiągnąć wysoki i zrównoważony wzrost biomasy glonów o wysokim procencie zawartości oleju. Istnieją cztery główne powody, dla których należy opracować technologię ekstrakcji olejków z zielonych alg.
- Bezpieczeństwo energetyczne: Dywersyfikuje źródła energii.
- Zatrudnienie: Tworzenie miejsc pracy dla zielonych kołnierzyków
- Środowisko: recykling węgla i ochrona klimatu
- Odpowiedzialność społeczna: wdrażanie zrównoważonej produkcji biopaliw ze źródeł innych niż spożywcze
Biodiesel to wieloskładnikowe paliwo ciekłe składające się z estrów metylowych lub etylowych wyższych kwasów nienasyconych i tłuszczowych, otrzymywane w wyniku reakcji chemicznej, głównie poprzez estryfikację olejów roślinnych (rzepakowy, sojowy, palmowy, słonecznikowy, lniany itp.), jak jak również poprzez transestryfikację tłuszczów (zwierzęcych i paszowych). W ostatnim czasie opracowano nowe technologie produkcji biodiesla, takie jak przetwarzanie surowców roślinnych za pomocą mikroorganizmów modyfikowanych genetycznie (na Uniwersytecie Kalifornijskim wspólnie z firmą LSG z USA opracowano genetycznie zmodyfikowany szczep bakterii E. Coli, który ma zdolność przekształcania celulozy i hemiceluloz w biodiesel), wykorzystanie „odpadowych” olejów roślinnych, które zbierane są w restauracjach i kawiarniach, produkcja z surowców pochodzenia mikrobiologicznego i inne. Przykładowo, w związku z tym, że zasoby olejów roślinnych pozyskiwanych z upraw rolnych są ograniczone, obecnie na całym świecie prowadzi się szeroko zakrojone badania nad wykorzystaniem różnego rodzaju alg, zarówno występujących naturalnie, jak i nowo uprawianych, jako obiecującego surowca materiały do produkcji biodiesla.
Biodiesel jest uważany w krajach UE za główne odnawialne biopaliwo ciekłe. Wielkość jego produkcji szybko rośnie. Wielkość produkcji biodiesla na świecie od 2002 r. (1,2 mln ton) osiągnęła w 2010 r. 18 mln ton (w 2009 r. – 14 mln ton). Według prognoz, przy tej tendencji, do 2020 roku wielkość produkcji biodiesla na świecie wyniesie 100 mln ton rocznie.
Liderem w produkcji i wykorzystaniu biodiesla w Europie jest Republika Federalna Niemiec – około 3 mln ton w 2012 roku (głównie z rzepaku), przy mocy technicznej wszystkich zakładów produkujących 5 mln ton rocznie. Na drugim miejscu znajduje się Francja: około 2 mln ton rocznie. Łącznie w Europie, według danych analitycznych UE za 2013 rok, funkcjonuje 256 wytwórni biodiesla. W UE od 2008 roku, kiedy nieurodzaj rzepaku spowodował spadek produkcji biodiesla i co za tym idzie wzrost jego importu, nabrała znaczenia konkurencja pomiędzy europejskimi i zagranicznymi producentami tego rodzaju paliwa. Producenci biodiesla z Argentyny i Indonezji, dzięki znaczącym dotacjom rządowym, byli w stanie dostarczyć go na rynki europejskie po cenie niższej niż cena samego surowca (oleju palmowego). W związku z tym w 2012 roku część krajów europejskich, w szczególności Niemcy, przyjęła szereg przepisów antydumpingowych i zwiększyła cła importowe na import biodiesla z tych krajów.
W USA biodiesel produkowany jest głównie z oleju sojowego (stanowi 30% wszystkich surowców wykorzystywanych na świecie do produkcji biodiesla, z olejem rzepakowym i palmowym, z niewielkimi ilościami innych olejów, pozostałe 70%). Biodiesel w USA jest stosowany w pojazdach i jako paliwo do ogrzewania. Udział biopaliw ciekłych w rynku amerykańskim wynosi ponad 5%. W związku z tym, że technologie otrzymywania powyższych olejków są bardzo drogie, trwają poszukiwania tańszych roślin. Tak więc jatrofa (rodzina euforbii) i lnicznik (rodzina kapusty) zaczęto już z powodzeniem stosować.
W ostatnich latach producenci biodiesla coraz większą uwagę zwracają na fasolę rącznikową (łac. Ríncinus), roślina z rodziny Euphorbiaceae. Jest to lecznicza i ozdobna roślina ogrodowa z nasion oleistych. Olej rycynowy otrzymywany z nasion rącznika metodą tłoczenia na zimno, posiada jedną z najwyższych wśród olejów roślinnych liczbę cetanową.
Zarząd brazylijskiego koncernu rolniczego Agrakonzern SLG postawił sobie za cel produkcję oleju rycynowego w oparciu o nowe technologie po cenie 50 dolarów amerykańskich za baryłkę (dla porównania: baryłka oleju sojowego kosztuje 170 dolarów).
Plon biodiesla z różnych nasion oleistych wynosi (l/ha): z rzepaku – 1100, ze słonecznika – 690, z soi – 400. Przykładowo w Niemczech do produkcji biodiesla wykorzystuje się głównie olej rzepakowy. Rzepak jest rośliną bezpretensjonalną, można ją uprawiać na gruntach wyłączonych z produkcji. Zwiększa aktywność biologiczną i strukturę gleby, oczyszcza ją z azotu. Biodiesel w Niemczech jest tańszy niż zwykły olej napędowy, pomimo faktu, że na biodiesel obowiązuje podatek. Uprawa rzepaku dotowana jest z budżetu federalnego.
Rozważmy ogólnie główną technologię produkcji biodiesla dzisiaj poprzez estryfikację olejów roślinnych.
Każdy olej roślinny jest mieszaniną trójglicerydów (estrów) połączonych z cząsteczką glicerolu z alkoholem trójwodorotlenowym (C 3 H 8 O 3). To gliceryna nadaje lepkość i gęstość olejowi roślinnemu. Aby uzyskać biodiesel, należy usunąć glicerynę, zastępując ją alkoholem. Proces ten (reakcja chemiczna powstawania estrów w wyniku oddziaływania kwasów i alkoholi) nazywa się estryfikację.
Surowiec (olej) dostarczany jest do instalacji estryfikacji, gdzie metanol (w stosunku do oleju od 1:4 do 1:20) i roztwór katalizatora (wodorotlenek sodu, potasu lub metanolan sodu od 0,3 do 1,5) są poddawane procesowi estryfikacji. jednocześnie dostarczany % objętości wszystkich przetworzonych surowców) w celu przeprowadzenia procesu estryfikacji. Na koniec procesu, w wyniku sedymentacji, mieszanina otrzymana w jednostce estryfikacji zostaje rozdzielona na dwie warstwy: górna jest mieszaniną eterów metylowych i metanolu, dolna to gliceryna (z niewielką ilością metanolu ). Wierzchnia warstwa kierowana jest do instalacji odpędzania metanolu, skąd metanol zawracany jest do jednostki estryfikacji, a pozostały surowy produkt – eter metylowy (biodiesel) – trafia sekwencyjnie do jednostki myjącej i komory suszącej.
Proces estryfikacji trwa od 20 minut. do kilku godzin w temperaturze roboczej 65°C.
Produkt uboczny uzyskany z warstwy dolnej w wyniku destylacji metanolu do jednostki estryfikacji - gliceryna surowa - znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym oraz farbiarskim. Nawiasem mówiąc, glicerynę można również przetworzyć na biopaliwo - bioetanol z wydajnością do 95%.
Stosowane są także technologie estryfikacji bez katalizatora i w warunkach nadkrytycznych. W pierwszym wariancie zamiast katalizatorów do reaktora estryfikacji wprowadza się specjalny rozpuszczalnik: tetrahydrofuran. Dzięki temu wzrasta rozpuszczalność składników w reaktorze, temperatura procesu spada do 30°C, a czas procesu ulega skróceniu do 10 minut. jego czas trwania. Mieszanina wyraźnie rozdziela się na warstwę eterową i glicerynową. Nie ma konieczności mycia i suszenia produktu.
W drugim wariancie proces estryfikacji prowadzony jest w wysokich temperaturach – do 400°C – i pod ciśnieniem do 80 atm, co pozwala również na rezygnację z katalizatorów i skraca czas trwania procesu w reaktorze do 5 minut .
Biodiesel (ester metylowy) ma średnią wartość opałową 37,6 MJ/kg i wysoką liczbę cetanową (51-58) w porównaniu z ropą naftową, która ma liczbę cetanową 50-52. Im wyższa liczba cetanowa, tym lepsze paliwo. Biodiesel można stosować zarówno w czystej postaci, jak i jako dodatek do oleju napędowego.
Tabela 1. Porównanie głównych wskaźników standardów
biodiesel w UE i olej napędowy w Federacji Rosyjskiej
Biodiesel jest biologicznie nieszkodliwy. Uwolniony do wody nie szkodzi florze i faunie wodnej. Ulega niemal całkowitemu rozkładowi biologicznemu w wodzie lub glebie (do 99% w ciągu miesiąca), dlatego stosując biodiesel na statkach rzecznych i morskich można znacznie zminimalizować zanieczyszczenie zasobów wodnych planety. Podczas spalania biodiesla do atmosfery uwalnia się znacznie mniej CO 2 niż przy spalaniu paliw konwencjonalnych. Ponadto zalety biodiesla nad nimi są oczywiste ze względu na niską charakterystykę produktów spalania: tlenek węgla, cząstki resztkowe, sadzę i, co najważniejsze, wielopierścieniowe węglowodory aromatyczne (znane substancje rakotwórcze). Biodiesel w porównaniu do mineralnego oleju napędowego prawie nie zawiera siarki (10,0 mg/kg). Dlatego też w niektórych krajach transport miejski przechodzi na paliwo biodiesel. , Prowadzone są badania nad wykorzystaniem biodiesla jako paliwa lotniczego.
Biodiesel ma dobre właściwości smarne. Wiadomo, że olej napędowy traci swoje właściwości smarne po usunięciu z niego związków siarki. Natomiast biodiesel, pomimo niskiej zawartości siarki, charakteryzuje się dobrymi właściwościami smarnymi, o czym decyduje jego skład chemiczny i zawartość w nim tlenu. Dzięki tej właściwości zwiększa się żywotność silnika: podczas pracy silnika jego ruchome części i pompa paliwa są jednocześnie smarowane.
Biodiesel ma wysoką temperaturę zapłonu (powyżej 100°C), co czyni go bezpieczniejszym niż konwencjonalny olej napędowy.
Oczywiście biodiesel ma również szereg wad. Przede wszystkim ma niską mrozoodporność, dlatego w chłodne dni należy go podgrzać lub rozcieńczyć zwykłym olejem napędowym. W postaci nierozcieńczonej biodiesel może uszkodzić gumowe węże i uszczelki, dlatego często należy je wymieniać na produkty wykonane z bardziej odpornych materiałów. Biodiesla nie można przechowywać przez dłuższy czas. W tabeli Tabela 1 przedstawia główne wskaźniki standardów biodiesla w Europie i oleju napędowego naftowego w Rosji.
Bio Olej
Bio-olej jest mieszaniną ciekłych węglowodorów i innych substancji organicznych otrzymywanych z surowców pochodzenia roślinnego lub biologicznego. Bio-olej to nazwa umowna, gdyż zawartość w nim węglowodorów wynosi zaledwie 5-10%, a reszta to alkohole, ligniny, aldehydy itp. Istnieją następujące termiczne lub termochemiczne metody wytwarzania biooleju z biomasy roślinnej: piroliza, zgazowanie, kraking parowy, hydrokraking.
W wyniku pirolizy (procesu rozkładu surowców po podgrzaniu do temperatury 450-550°C w nieobecności tlenu) surowce przekształcane są w węgiel oraz produkty ciekłe i gazowe. W tym przypadku jako paliwo można wykorzystać ciekłe produkty pirolizy, które w ostatnich latach zaczęto nazywać „bio-olejem”, „biomazutem” lub „płynem pirolizy”. Aby zwiększyć uzysk biooleju (do 80% całkowitej objętości suchego surowca na wejściu) stosuje się tzw. szybką pirolizę: proces pirolizy trwa kilka sekund w bardzo wysokiej temperaturze – do 1000°C C. Ciepło spalania biooleju wynosi 16-19 MJ/kg i jest znacznie niższe niż ciepło spalania paliwa węglowodorowego. W Finlandii w tym roku fiński koncern energetyczny Fortum jako pierwszy na świecie zbuduje instalację do produkcji biooleju z zrębków drzewnych metodą pirolizy; Wydajność przedsiębiorstwa wyniesie 50 tys. ton rocznie. Do wyprodukowania biooleju potrzebne będzie 600 tys. m 3 drewna rocznie. Fortum jest znane w Rosji z projektu budowy od podstaw w mieście Nyagan (KhMAO – Yugra) pierwszej dużej elektrowni po upadku ZSRR (Elektrownia Państwowego Okręgu Nyagan) o łącznej mocy 1260 MW.
Z odpadów poprodukcyjnych cukru – wywaru melasowego można otrzymać także bioolej i bioetanol.
Biobenzyna
Biobenzyna (benzyna syntetyczna) produkowana była na skalę przemysłową już w latach 30-40 XX wieku w Niemczech z gazu syntezowego (metoda Fischera-Tropscha) podczas zgazowania węgli kopalnych. W procesie można również wykorzystywać biomasę stałą, w tym drewno, zamiast węgla. Jednak obecnie takiej biobenzyny nie produkuje się, mimo że biobenzyna ma istotne zalety środowiskowe w porównaniu z benzyną konwencjonalną, takie jak brak związków siarki i azotu, a także metali ciężkich; ponadto podczas spalania biobenzyny powstają związki rakotwórcze nieuformowany; głównym powodem jest wysoki koszt produkcji.
Oleje roślinne
Nie wszyscy wiedzą, że pierwszy silnik wysokoprężny, stworzony przez niemieckiego inżyniera Rudolfa Diesela w 1897 roku, napędzany był olejem roślinnym (orzechowym).
Oleje roślinne (wartość opałowa 33-34 MJ/kg) są od dawna stosowane jako paliwo silnikowe; zgromadzono duże doświadczenie w stosowaniu olejów słonecznikowego, arachidowego, sojowego, kukurydzianego, rzepakowego i innych. Najpowszechniej stosowany jest olej rzepakowy, ponieważ rzepak jest najbardziej produktywnym z nasion oleistych (na drugim miejscu pod względem produktywności znajduje się słonecznik, na trzecim soja). Glony mogą stać się nowym obiecującym źródłem surowców do produkcji olejów opałowych, w których zawartość oleju, zbliżonego składem do znanych olejów roślinnych, osiąga 40% całkowitej masy przy znacznie wyższej wydajności niż ta ostatnia. Przykładowo przy przeróbce rzepaku na olej z 1 akra gruntów ornych można uzyskać 265 litrów oleju rocznie, a przy uprawie glonów z 1 akra lustra wody można uzyskać 20 tysięcy litrów oleju rocznie.
Niemcy są liderem nie tylko w wykorzystaniu biodiesla, ale także w wykorzystaniu olejów roślinnych jako paliwa silnikowego (głównie oleju rzepakowego). W Stanach Zjednoczonych olej sojowy jest stosowany głównie jako biopaliwo spośród wszystkich olejów roślinnych. Olej z nasion otrzymuje się poprzez konwencjonalne tłoczenie (lub ekstrakcję), podczas którego surowiec oczyszcza się z obcych zanieczyszczeń, następnie miesza z rozpuszczalnikiem – ekstrahentem (którym jest benzyna, heksan lub etanol) – i miesza przez pewien czas, po czym który oddziela się od placka olejowego, pozostałą mieszaninę rozdziela się na rozpuszczalnik, który zawraca się do jednostki ekstrakcyjnej, i surowy nierafinowany olej.
Wydajność olejów przy zastosowaniu technologii tłoczenia wynosi 28-29%, a przy ekstrakcji 40-42% w stosunku do surowca pierwotnego (przy zawartości oleju 45-50%).
Oleje roślinne jako paliwo charakteryzują się wyższą gęstością energetyczną w porównaniu do alkoholi, jednak ich właściwości użytkowe są gorsze od alkoholi, a w szczególności: duża lepkość i większa skłonność do tworzenia sadzy. Dlatego zaleca się stosowanie olejów roślinnych zmieszanych z olejem napędowym. Mieszanka oleju rzepakowego i oleju napędowego nazywana jest mieszanką biodiesla lub biodytem.
BTL (Biomasa do cieczy)
BTL (ang. Biofuel-to-Liquid) to jeden z rodzajów biopaliwa ciekłego (wartość opałowa średnio 33,5 MJ/kg), którego innowacyjna technologia produkcji została opracowana całkiem niedawno, bo w latach 2000-tych, przy udziale tak znanych na całym świecie takie firmy jak Shell, Daimler, Volkswagen czy innowacyjna firma Choren GmbH. Pierwszy zakład produkcyjny BTL powstał we Freiburgu w Niemczech w 2007 roku. Baza surowcowa produkcji to ponad 70 tys. ton odpadów z przemysłu drzewnego, tartacznego i małej architektury. Obecnie technologię BTL uważa się za najbardziej obiecującą w produkcji biopaliw ciekłych. Do produkcji BTL nadaje się każdy rodzaj biomasy stałej: zrębki, trociny, słoma, odpady rolnicze, a także miskant i inne szybko rosnące rośliny plantacyjne, odpady bytowe i wiele innych. Dlatego produkcja BTL nie wymaga surowców w postaci produktów rolnych przeznaczonych do spożycia (zboża, nasiona oleiste), w przeciwieństwie do produkcji bioetanolu i biodiesla, a tym samym nie konkuruje z surowcami przemysłu spożywczego. Aby uzyskać 1 kg BTL potrzeba od 5 do 10 kg surowca drzewnego.
Produkcja BTL obejmuje połączenie kilku dawno ustalonych procesów: pirolizy, zgazowania przepływowego w wysokiej temperaturze oraz procesów Fischera-Tropscha, czyli MtG (przekształcenia metanolu w benzynę).
W pierwszym etapie suszony surowiec (biomasa o wilgotności do 20%) poddawany jest pirolizie niskotemperaturowej w temperaturze 400-500°C. Produktem wyjściowym jest węgiel, koks i smoła zawierająca gaz. Żywicę następnie spala się w temperaturze wyższej od temperatury topnienia popiołu (powyżej 1400°C) w komorze spalania, w wyniku czego powstaje gazowa mieszanina CO i H2. Pozostały popiół i koks zawraca się do komory spalania, a gaz przechodzi przez płuczkę oczyszczoną z chloru i siarki, a następnie przeprowadza się syntezę Fischera-Tropscha: za pomocą katalizatora kobaltowego wodór i węgiel łączy się i po oczyszczaniu otrzymuje się produkt końcowy: BTL. BTL nie zawiera węglowodorów aromatycznych i siarki, posiada wysoką liczbę oktanową, a jego zastosowanie zmniejsza emisję CO 2 do atmosfery nawet o 90% w porównaniu do paliw węglowodorowych.
W ostatnich latach na całym świecie wykorzystywanie roślin spożywczych do produkcji biopaliw ciekłych uznawane jest za nieracjonalne, gdyż tego typu wykorzystanie prowadzi do wzrostu cen żywności. Dlatego zaczęto produkować biopaliwa ciekłe tzw. drugiej generacji: z traw i różnych roślin nie wykorzystywanych w przemyśle spożywczym, a uprawianych na gruntach nienadających się do uprawy głównej, z alg, z odpadów bytowych, z szybko rosnących roślin plantacyjnych , z odpadów drzewnych i tartacznych, ze słomy. Jeśli chodzi o surowce drzewne, jak wspomniano powyżej, na świecie istnieje wiele różnych technologii produkcji biopaliw ciekłych z materiałów zawierających celulozę. Ale koszt wytworzenia np. bioetanolu z takich surowców jest dwukrotnie wyższy niż koszt jego wytworzenia ze zboża... Co więcej, w najbliższej przyszłości jest mało prawdopodobne, że powstaną technologie, które obniżą koszty proces. Trudno zatem powiedzieć, czy biopaliwo ciekłe z surowców zawierających celulozę będzie konkurencyjne na rynku.
Zdaniem autora, w Rosji największą efektywność produkcji i wykorzystania wszelkiego rodzaju biopaliwa ciekłego otrzymywanego z biomasy stałej można osiągnąć w sektorze rolniczym. W rosyjskim kompleksie rolno-przemysłowym spala się rocznie ponad 5 milionów ton oleju napędowego. W samych przedsiębiorstwach rolniczych ograniczenie zużycia oleju napędowego z ropy naftowej poprzez wykorzystanie biodiesla o 30% da roczny efekt ekonomiczny w wysokości ponad 10 miliardów rubli.
Jeśli chodzi o odpady drzewne, z wyjątkiem tych wykorzystywanych w zakładach hydrolizy, lepiej jest je wykorzystać do produkcji biopaliw stałych. Nie bez powodu jedna z publikacji w wpływowym czasopiśmie Science wskazuje, że bezpośrednie spalanie roślin zawierających celulozę w celu wytworzenia energii elektrycznej do ładowania akumulatorów pojazdów elektrycznych zapewni tym samochodom o ponad 80% większe przebiegi niż przy zastosowaniu biopaliw ciekłych uzyskanych w wyniku przetwarzania tych roślin.
Siergiej PIERDERIJ,
Dusseldorf, Niemcy,
[e-mail chroniony]
Dziś ludzkość jest świadkiem nowej rewolucji w dziedzinie produkcji biopaliw z surowców odnawialnych niespożywczych, które praktycznie nie różnią się właściwościami od tradycyjnych i mogą je zastąpić. Na taki surowiec wybrano algi. Różnią się od roślin rosnących na stałym podłożu wieloma zaletami - wysoką wydajnością, możliwością rozwoju w wodzie, a nie na gruntach ornych. .
Z porównania wartości energetycznej roślin oleistych wynika, że wartość energetyczna właściwa alg o 50% zawartości lipidów (930 MWh/ha) jest 15,5 razy większa niż najbardziej energochłonnej lądowej rośliny oleistej – łoju chińskiego (60 MWh/ha).
Istnieją algi, w których zawartość trójglicerydów, będących podstawą oleju roślinnego, stanowi ponad połowę masy. Żadna z istniejących roślin lądowych nie jest w stanie konkurować z glonami pod względem wydajności fotosyntezy, która leży u podstaw produktywności, oraz zawartości w nich olejów i, co za tym idzie, energii.
Potencjał produkcji oleju z różnych upraw charakteryzują się następującymi wskaźnikami: „produktywność” kukurydzy wynosi 172 litry na hektar rocznie; olej palmowy 5950 l/ha, a typowe algi „energetyczne” – do 95 000 l/ha przy uprawie w zbiornikach otwartych.
Glony w produkcji energii zmieniają dwutlenek węgla z problemu w czynnik zysku. CO2 staje się najważniejszym zasobem, który można wykorzystać na skalę przemysłową. Z dwutlenku węgla o wydajności fotosyntezy 5-10% przy minimalnym zużyciu wody, na gruntach nienadających się do użytku rolniczego, można uzyskać biopaliwo lub surowce dla przemysłu chemicznego. .
Korzyści z alg:
- -Bimasa niespożywcza - nie stwarza zagrożenia dla bezpieczeństwa żywnościowego. -Rosną 20-30 razy szybciej niż rośliny lądowe (niektóre gatunki mogą podwoić swoją wagę kilka razy dziennie).
- -Wyprodukuj 15-100 razy więcej oleju z hektara niż alternatywny olej rzepakowy, olej palmowy, smalec itp.
- -Brak stałej otoczki i praktycznie ligniny sprawia, że ich przetwarzanie na paliwa płynne jest prostsze i wydajniejsze
- -Produkcja i wykorzystanie biopaliwa nie wymaga zmian w rosyjskim ustawodawstwie, jak ma to miejsce w przypadku etanolu
- -Rośnie w wodzie słodkiej, słonej lub ściekach przemysłowych, gdzie wykorzystuje się ją do ich oczyszczania. -Może być uprawiany przemysłowo w bioreaktorach lub fotoreaktorach ze sztucznym oświetleniem lub w otwartych zbiornikach na glebach nieuprawnych, w tym na pustyniach
- - Fotoreaktory są wbudowane w linie technologiczne istniejących przedsiębiorstw przemysłowych (CHP, zakłady petrochemiczne, cementownie) - Ograniczają emisję dwutlenku węgla (pochłaniają do 90% CO2 z wydzieleniem tlenu). -Są źródłem olejów, białek, węglowodorów.
Wiodące firmy wytwarzające ropę i energię Shell, BP, Chevron i inne zwracają szczególną uwagę na nowy kierunek, inwestując w jego rozwój, zdając sobie sprawę z nieuchronności pojawienia się nowego sektora rynku, ponieważ nie chcą stracić kontroli nad silnikiem rynek paliw.
Zgodnie z ustawą Energy Independence and Security Act Stany Zjednoczone planują osiągnąć do roku 2022 produkcję biopaliw niespożywczych na poziomie około 80 milionów ton rocznie. Biorąc pod uwagę rosnącą tendencję udziału biopaliw z alg, można założyć, że do 2022 roku przekroczy on próg 50%, co odpowiada 40 mln ton/rok i stanowi 43% obecnego zużycia benzyn i olejów napędowych w Rosji (około 92 mln ton/rok, z czego 32 mln ton/rok benzyny i 60 mln ton/rok oleju napędowego). .
Produkcja i technologia biopaliw z alg przyciąga naukowców, przedsiębiorców i gigantów naftowych, takich jak Exxon Mobil.
W optymalnych warunkach wzrostu mikroalg można osiągnąć wydajność do 168 518 litrów na hektar rocznie. Na obszarze 200 tys. hektarów na pustyniach można wyprodukować 34 miliardy litrów biodiesla (aby wyprodukować taką ilość biopaliwa z rzepaku, trzeba byłoby zająć około 23,5 miliona hektarów).
Tabela. 1-4
Aby zastąpić wszystkie rodzaje paliw w transporcie w USA, potrzeba będzie 640 miliardów litrów biodiesla, aby uzyskać tę ilość, potrzebny będzie obszar lądowy o powierzchni prawie 39 000 km2. Pustynia Sonora w południowo-zachodnich Stanach Zjednoczonych zajmuje powierzchnię 120 000 kilometrów kwadratowych. Oznacza to, że wymagany obszar wynosi 12,5% powierzchni tej pustyni.
Eichornin.
Eichornia to najbardziej wyjątkowa tropikalna roślina wodna, zaaklimatyzowana do średnich szerokości geograficznych i potrafiąca przetrwać do zerowych temperatur wody. Wyjątkowość: ultraszybkie rozmnażanie wegetatywne i zdolność oczyszczania wody z niemal wszelkich zanieczyszczeń chemicznych i bakteriologicznych. Jest to pływająca roślina wodna, której część nadziemna składa się z liści i kwiatu (inna nazwa to hiacynt wodny). W wodzie znajdują się nitkowate korzenie, na których żyje wiele pożytecznych mikroorganizmów.
Jeśli zostaną stworzone sprzyjające warunki w zakresie temperatur 16 - 32°C, roślina może rosnąć w każdym regionie, także na północy. Z zielonej masy Eichorni powstaje biogaz, który zawiera aż 75% metanu. . Trwające prace nad wykorzystaniem eichornii do oczyszczania zanieczyszczonych wód zaowocowały jej przyrostem do 10-15 kg dziennie na metr kwadratowy powierzchni biostawu, tj. dziennie biostaw o powierzchni 1000 m2 jest w stanie wyprodukować do 15 ton biomasy eichorni. . Biomasa ta może być wykorzystana do produkcji różnego rodzaju biopaliw i biooleju.
Glony to jedna z najszybciej rosnących roślin na Ziemi. Ich waga podwaja się każdego dnia, a wzrost wymaga zasobów, których na Ziemi jest mnóstwo: światła słonecznego, wody i dwutlenku węgla. Pod względem właściwości energetycznych glony przewyższają wiele innych źródeł do produkcji biopaliw. Rozwój glonów jest dla człowieka procesem kontrolowanym i bezpretensjonalnym. Ponadto glony pochłaniają dwutlenek węgla z atmosfery w drodze biosyntezy.
Głównym problemem utrudniającym obecnie rozwój przemysłowej produkcji alg jest to, że glony są bardzo wrażliwe na zmiany temperatury wody, która w związku z tym musi być utrzymywana w ściśle określonym zakresie (niedopuszczalne są ostre wahania dobowe). Ponadto przemysłową produkcję glonów utrudnia brak skutecznych metod ich zbierania. Opisane powyżej trudności doprowadziły naukowców do wniosku, że wskazane jest uprawianie glonów wyłącznie w zamkniętych i dogodnych technologicznie zbiornikach. Departament Energii Stanów Zjednoczonych badał algi o wysokiej zawartości oleju. Naukowcy doszli do wniosku, że Kalifornia, Hawaje i Nowy Meksyk nadają się do przemysłowej produkcji alg w otwartych stawach. Przez 6 lat glony hodowano w stawach o powierzchni 1000 metrów kwadratowych. metrów. Wydajność wynosiła ponad 50 gramów glonów na 1 metr kwadratowy dziennie. Oprócz uprawy glonów w otwartych stawach istnieją technologie uprawy glonów w małych bioreaktorach zlokalizowanych w pobliżu elektrowni. Ciepło odpadowe z elektrowni cieplnej może pokryć do 77% ciepła potrzebnego do uprawy glonów. Technologia ta nie wymaga gorącego pustynnego klimatu.
Obecnie wprowadzono masową produkcję mikroalg nadających się do natychmiastowego wykorzystania w specjalnych bioreaktorach, w których algi rozmnażają się poprzez rozszczepienie.
Chevron Corporation, jeden ze światowych gigantów energetycznych, rozpoczął badania nad możliwością wykorzystania alg jako źródła energii w transporcie, w szczególności w samolotach odrzutowych. Firma Honeywell UOP rozpoczęła niedawno projekt mający na celu produkcję wojskowego paliwa do silników odrzutowych z alg i olejów roślinnych. Firma Green Star Products zakończyła drugą fazę testów swojej demonstracyjnej instalacji biodiesla z alg. W drugiej fazie wybrano optymalne warunki do wzrostu glonów. Największy japoński koncern energetyczny, Tokyo Gas Co, zamierza zbudować instalację demonstracyjną, która będzie wytwarzać energię elektryczną z wodorostów. Do pracy generatorów gazu na stacji wykorzystywany będzie metan uwalniany z drobno posiekanych alg. Dla wielu japońskich prefektur zanieczyszczenie wybrzeży glonami pozostaje poważnym problemem środowiskowym. Kiedy gniją, często wydzielają nieprzyjemny zapach i psują krajobraz. Tymczasem najnowszy rozwój japońskich specjalistów oferuje rozwiązanie tego problemu z korzyściami ekonomicznymi. Eksperymentalny model instalacji z generatorem gazowo-elektrycznym, który działa już w laboratorium od kilku lat, pozwala na przerób do 1 tony glonów dziennie. Generuje to około 9,8 kilowatów energii elektrycznej. Ta pilotażowa instalacja produkuje około 20–30 metrów sześciennych metanu miesięcznie, co wystarczy, aby zmniejszyć miesięczne zużycie energii elektrycznej przez przeciętną rodzinę dokładnie o połowę.
Przemysł lotniczy ogłosił także początek zmian w wykorzystaniu wodorostów jako surowca do produkcji paliwa lotniczego. Boeing ogłosił, że alternatywa dla biodiesla wytwarzana z wodorostów może w przyszłości zostać wykorzystana do produkcji biopaliwa lotniczego. Z dokumentu wynika, że żadne obecnie produkowane biopaliwo nie może być wykorzystane jako paliwo lotnicze. Etanol pochłania wodę i powoduje korozję silnika oraz przewodów paliwowych, natomiast biodiesel zamarza w niskich temperaturach (na wysokości przelotowej). Ponadto biopaliwo ma niższą stabilność termiczną niż konwencjonalne paliwo do silników odrzutowych. Eksperci Boeinga uważają, że optymalnym surowcem do produkcji biopaliwa będą wodorosty, z których uzyskuje się prawie 300 razy więcej oleju niż z soi. Według Boeinga biopaliwo z alg to przyszłość lotnictwa. Tak więc, gdyby od 2004 roku cała światowa flota linii lotniczych korzystała w 100% z biopaliwa pochodzącego z wodorostów, potrzeba byłoby 322 miliardów litrów ropy. Do uprawy tych glonów potrzebna jest ziemia o powierzchni 3,4 mln hektarów. W obliczeniach przyjęto, że z jednego hektara można uzyskać 6500 litrów plonu rocznie. Do tych celów można wykorzystać grunty, które nie nadają się do uprawy roślin spożywczych.