Возобновляемые топлива: мечта или реальность?

1. Возобновляемые топлива: мечта или реальность? В.А. Сальников, П.А. Никульшин, Ал.А. Пимерзин *Работа выполнена в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса России на 2007-2013 годы» (ГК №16.740.11.0645 "Исследование размерных и синергетических эффектов в катализе нанокластерами сульфидов переходных металлов для создания научной основы направленных методов синтеза высокоэффективных катализаторов гидроконверсии компонентов бионефти") При поддержке Министерства образования и науки РФ «Федеральное агенство по делам молодежи»

2. 2 ВВЕДЕНИЕ: Актуальность Практически все виды топлива, особенно на основе нефти, сложно и дорого производить. Сторонники альтернативной энергетики предлагают в качестве частичной замены традиционных топлив - биотопливо. Основным аргументом в пользу использования биологического сырья как источника тепловой энергии стало то, что запасы пропадающей зря биомассы очень велики, особенно в России, с ее огромной территорией. Их рациональная переработка позволила бы частично решить энергетическую проблему, что особенно важно для удаленных регионов. Критики биотоплива относятся к идее "ездить на рапсе" крайне скептически, как и, в принципе, к альтернативным, возобновляемым источникам энергии: солнцу, ветру, рекам и океанам. Среди доводов "против" главные - это риск роста цен на сельскохозяйственные культуры и экологическая опасность производства. А пока продолжается этот спор, объемы производства биотоплива медленно, но уверенно растут.

3. 3 ВВЕДЕНИЕ: Актуальность Активное использование возобновляемых источников энергии из сельскохозяйственного сырья наблюдается в США, Японии, Бразилии, Китае, Индии, Канаде, странах ЕС. Во многих странах (даже в нефте- и газоэкспортирующих) созданы специальные органы исполнительной власти, координирующие реализацию программ в области производства альтернативной энергии. Так, например, в США принят закон «О сельском хозяйстве», где указано, что создание биозаводов – приоритетная национальная задача, а госучреждения страны обязаны использовать биотопливо. Только в США до 2020 года в развитие «биоэкономики» планируется вложить более 150 млрд. дол. с целью замены к 2025 г. 25% потребляемой энергии на «био-энергию», полученную с использованием альтернативных, биовозобновляемых источников.

4. 4 Объемы потенциального сырья Количество отходов деревообработки в РФ 70 млрд м3 Большие объёмы некондиционной древесины 41.1 млрд м3 Выполнение расчетной лесосеки Менее 30 %

5. 5 ВВЕДЕНИЕ: Актуальность EIA(Информационное агентство энергии) сообщает: Что к 2030 году мировое сообщество будет нуждаться в количестве энергии на 60 % большем, чем в 2010 году. А мировой спрос на жидкие топлива достигнет 107 миллионов баррелей в день… Такой высокий уровень потребления моторных топлив невозможно обеспечить только за счет ископаемых ресурсов и поэтому, поиск альтернативных источников энергии для транспорта является, на сегодняшний день, важнейшей задачей. Следовательно

6. Преимущества биотоплив в сравнении с нефтяными топливами 6 орто-Метоксифенол (гваякол) Структурная единица Снижение выбросов оксидов углерода, твердых частиц и несгоревших углеводородов более чем в 2 раза Биотоплива являются биоразлагаемыми Биотоплива являются нетоксичными Биотоплива практически не содержат серы Низкая энергоэффективность: - мощность двигателя снижается- Расход топлива увеличивается Структура лигнина

7. Преимущества биотоплив в сравнении с нефтяными топливами 7 Структура целлюлозы (линейный полисахарид) Структурная единица – β-глюкоза (β-D-глюкопираноза) Структура гемицеллюлоза (разветвленный полисахарид) Структурная единица – глюкуроноксилан и галактоглюкоманнан

8. 8 Классификация возобновляемых биоресурсов

9. Основныетехнологии и методы переработки биомассы в топливные продукты 9 Гранулирование, брикетирование Композиционные материалы Химический Олеохимический Термохимический Биотехнологический

10. Гранулирование, брикетирование 10

11. Гранулирование, брикетирование 11 Древесные топливные гранулы (пеллеты, ДТГ) – это небольшие цилиндрические прессованные древесные изделия диаметром 4-12 мм, длиной 20-50 мм, переработанные из высушенных остатков деревообрабатывающего и лесопильного производства: опилки, стружка, древесная мука, щепа, древесная пыль Используются в котлах для получения тепловой и электрической энергии путем сжигания. Преимущества древесных гранул  ♦ снижение вредных выбросов в атмосферу: древесное биотопливо признано СО2 – нейтральным, т.е. при его сжигании количество выделяемого углекислого газа в атмосферу не превышает объем выбросов, который бы образовался путем естественного разложения древесины; ♦ большая теплотворная способность: по сравнению со щепой и с кусковыми отходами древесины. Энергосодержание одного килограмма древесных гранул соответствует 0,5 литра жидкого дизельного топлива; древесные гранулы не уступают по теплотворной способности ни углю, ни мазуту; ♦ низкая стоимость по сравнению с дизельным топливом и отоплением электричеством; ♦ чистота помещения, в котором установлен котел; ♦ возможность автоматизации котельных. Фасовка насыпью ♦ Крупные ТЭЦ, требования по качеству невысокие, цена также небольшая: промышленные пеллеты. ♦ Для котлов небольшой мощности и дальнейшей фасовки в мелкую упаковку, требования высокие, цена также достаточно высокая.  Фасовка в биг-бэги ♦ для индустриальной транспортировки сыпучих продуктов Мелкая расфасовка

12. Гранулирование, брикетирование 12 Поршневой пресс работает циклически – при каждом ходе поршня продавливают определенное количество материала через коническое сопло, на брикетах четко различимы соответствующие циклам слои. В приводе всегда применяется маховик, позволяющий выровнять нагрузку двигателя. Износ поршня невелик, поскольку относительное перемещение между прессуемым материалом и поршнем мало, быстро изнашивается сопло. Поршневые прессы относительно дешевы и поэтому широко распространены. Преимущества Шнековый пресс легче поршневого, поскольку отсутствуют массивные поршни и маховики. Продукция выходит непрерывно, поэтому ее можно разрезать на нужные куски. Плотность выше, чем у поршневых прессов. Шнековые прессы менее шумные, благодаря отсутствию ударных нагрузок. К недостаткам можно отнести больший расход энергии и быстрый износ шнека. ♦ Постоянство температуры при горении на протяжении более 4 часов; ♦ Могут использоваться для всех видов топок, котлов центрального отопления и пр. Вид прямоугольного параллелепипеда со скошенными углами. Получаются путём гидравлического прессования, и его размеры зависят от рыхлости сырья, из которого он произведён и давления, которое на него оказано. ♦ брикеты RUF«кирпичик» (Германия, фирма Hans Ruf); ♦ брикеты NESTRO«цилиндрические» (Германия, фирма Nestro); ♦ брикеты Pini&Kay«экструдерные» (Австрия, фирма Pini&Kay). C.F.Nielsen (Дания), UPM (Литва), Bogma (Швеция), Pawert-SPM AG (Швейцария), DI-PIU (Италия) Получаются путём прессования на оборудовании ударно-механического типа. Они имеют бесконечную длину, и могут быть разделены как на шайбы, так и на поленья. Имеют очень высокую плотность. Брикеты обязательно имеют отверстие внутри и обожженную верхнюю поверхность. В основе экструзивной технологии производства брикетов лежит процесс прессования шнеком под высоким давлением при нагревании от 250 до 350 С°.

13. Основныетехнологии и методы переработки биомассы в топливные продукты 9 Гранулирование, брикетирование Композиционные материалы Химический Олеохимический Термохимический Биотехнологический

14. Композиционные материалы 13 ♦ "Sorbilite "(США); ♦ "Strandex"(США); ♦ "Timber Tech" (США); ♦ "Polima" (Швеция); ♦ "Bizon"(Германия); ♦ "Stora" (Германия); ♦ "Fasalex" (Австрия). Получают из мягких отходов переработки древесины: ♦ станочная стружка ♦ опилки Методы производства ДКМ: ♦ плоский давление направлено перпендикулярно плоскости ДКМ ♦ экструзионный давление прикладывается с торца вдоль плоскости ДКМ ♦ погонажные изделия (США) ♦ дверные полотна (США) ♦ облицовочные панели (Германия) стеновые панели, плинтуса, наличники, рамы для картин и фотографий различного профиля, мебельные фасады для кухонь с любым профилем, части для кроватей, столов, стульев, внутреннюю отделку для автомобилей, тарные ящики, вкладываемые жесткие элементы для картонной тары применяются для изготовления оконных блоков, дверных коробок, в строительстве как конструкционные элементы

15. Композиционные материалы 14 Принципиальная схема экспериментальной установки 1 - масляный бак; 2 - фильтр; 3 - насос низкого давления; 4 - насос высокого давления; 5 - ременная передача; 6 - электродвигатель привода насосов; 7, 8  - редукторы давления; 9 - электроконтактный манометр; 10 - рабочий гидроцилиндр; 11 - электрогидравлический клапан; 12 - блок контроля управления работой установки в автоматическом режиме; 13 - концевые выключатели; 14 - плунжер пресса; 15 - канал пресса; 16 - ТЭНы; 17 - ХК-термопара; 18 -самопишущий потенциометр типа КСП-4; 19 - блок терморегулирования. Процесс экструзионного прессования погонажных изделий из стружки и опилок Р = 4-10 МПа, Температуре нагрева рабочих поверхностей пресс-форм 160-220 0С, продолжительности выдержки 150-300 с при толщине панели 4 мм.

16. Основныетехнологии и методы переработки биомассы в топливные продукты 9 Гранулирование, брикетирование Композиционные материалы Химический Олеохимический Термохимический Биотехнологический

17. Олеохимические методы переработки биомассы 15 Преимущества биодизеля ♦ нетоксичен; ♦ практически не содержит серы и канцерогенного бензола; ♦ разлагается в естественных условиях и при этом биологически безвреден; ♦ обеспечивает значительное снижение вредных выбросов в атмосферу при сжигании, как в двигателях внутреннего сгорания, так и в технологических агрегатах; ♦ увеличивает цетановое число топлива и его смазывающую способность, что существенно увеличивает ресурс двигателя; ♦ имеет высокую температуру воспламенения (более 100 °С), что делает его использование относительно безопасным; ♦ для его производства используется возобновляемое сырье; ♦ производство биодизеля легко организовать, в том числе в условиях небольшого фермерского хозяйства, при этом используется недорогое оборудование; Биодизель — биотопливо на основе растительных или животных жиров (масел), а также продуктов их этерификации EN14214 (разработан для биодизеля на основе рапсового масла) - ЕС ASTM D-6751 (разработан для биодизеля на основе соевого масла) - США

18. 16 Олеохимические методы переработки биомассы Получение биодизеля и биоэтанола в Евросоюзе

19. Схема производства биодизеля 17 Основные блоки ♦ приготовление масла; ♦ очистка масла; ♦ приготовление катализатора; ♦ переэтерификация; ♦ очистка и стабилизация; ♦ отгонка метанола; ♦ складирование готового продукта

20. Олеохимические методы переработки биомассы 18 Принципиальная схема переработки микроводорослей Преимущества • более низкая стоимость; • отсутствие конкуренции с пищевым сектором экономики; • легкость переработки; • отсутствие конкуренции за землю; • высокая скорость роста (удвоение биомассы в 24 ч); • высокая концентрация бионефти в водорослях (до 70%); • при производстве биодизеля из морских микроводорослей образуется остаточная биомасса, которая может использоваться как удобрение; • культивирование водорослей не требуют гербицидов или пестицидов; • водоросли способны к эффективной утилизации диоксида углерода (1 кг сухой водорослевой биомассы требует приблизительно 1.8 кг из CO2); • терпимость к изменению условий окружающей среды.

21. 19 Термохимические методы переработки биомассы Пути реализации полученной «бионефти»: • Альтернативное топливо малой и коммунальной энергетики; • Связующее для композитных материалов; • Сырье для производства технического углерода; • Сырье для дорожного строительства; • Сырье для химической промышленности.

22. 20 Термохимические методы переработки биомассы Сопоставление физико-химических свойств нефти и бионефти, полученной из древесины и водорослей * В сравнении с бионефтью 2 поколения: ♦ более высокая теплота сгорания; ♦ более низкое содержание кислорода; * В сравнении с ископаемой нефтью: ♦ более низкая теплота сгорания; ♦ высокая концентрация азота и кислорода;

23. 21 Термохимические методы переработки биомассы Составы различного сырья для гидродеоксигенации Полученная экстракцией или прессованием бионефть - использована непосредственно в качестве топлива (котельного, печного) Недостатки бионефти  ♦ высокая вязкость; ♦ высокая температура кипения; ♦ высокая концентрация кислорода Ограничение в применении в качестве моторных топлив. Состав жирных кислот бионефти водорослей Бионефть подвергают переэтерификации либо гидроочистке для получения высококачественных дизельных фракций

24. 22 Термохимические методы переработки биомассы Шкала реакционной активности оксигенатных групп в условия гидроочистки Энергии диссоциации связей О-С Свойства бионефти и продукта ее гидроочистки (гидрогенизата)

25. Мобильные установки производства бионефти 23 Процесс основан на термическом разложении органических соединений биомассы в отсутствии кислорода, с последующим сбором продуктов пиролиза. При быстром пиролизе из 100 кг древесины получается до 65 кг жидкого биотоплива и 15 кг древесного угля. Биотопливо используется как альтернативное топливо малой и коммунальной энергетики, либо как химическое сырье.

26. 24 Интеграция производства моторных топлив из растительного и нефтяного сырья Технология Eni Ecofining (UOP) для переработки растительной нефти Основана на каталитической деоксигенации растительного сырья и реакциях изомеризации н-парафинов. В качестве катализатора процесса деоксигенации использован специально синтезированный сульфидный алюмокобальтмолибденовый катализатор (HDO Reactor), а в реакторе изомеризации (Isomerization Reactor) - кислотный катализатор на основе благородных металлов. Преимущества ♦ Отсутствие побочного продукта; ♦ Интеграция процесса и продукта в существующую схему НПЗ.

27. 25 Интеграция производства моторных топлив из растительного и нефтяного сырья ♦ BioThermTM (Dynamotive, Canada); ♦ RTP (Enzyn, Canada); ♦ Rotating Cone (BTG, ); ♦ BioLiq (FZK, ); ♦ BTO (PYTEC, ).

28. 26 Dynamotive Гуэльф, Онтарио, Канада 200 тн/сут. Сырье –древесные отходы <10% влаги и 1-2 мм размер частиц Т = 450 – 500 0С

29. 27 Модернизация технологии Dynamotives Два этапа процесса с участием гидрореформинга и гидроочистки Dynamotive

30. 28 Интеграция производства моторных топлив из растительного и нефтяного сырья ♦ BioThermTM (Dynamotive, Canada); ♦ RTP (Enzyn, Canada); ♦ Rotating Cone (BTG, ); ♦ BioLiq (FZK, ); ♦ BTO (PYTEC, ).

31. 29 Ensyn Ренфрю, Онтарио Канада 100 тн/сут. Сырье ♦ лиственные и хвойные породы ♦ белая древесина и кора ♦ сельскохозяйственные отходы, такие как остатки от пальмового масла и плантаций сахарного тростника <8% влаги и 1-2 мм размер частиц

32. 30 Интеграция производства моторных топлив из растительного и нефтяного сырья ♦ BioThermTM (Dynamotive, Канада); ♦ RTP (Enzyn, Канада); ♦ Rotating Cone (BTG, Малайзия); ♦ BioLiq (FZK); ♦ BTO (PYTEC).

33. 31 BTG (Малайзия, 50 тонн/сут.) Сырье: отходы плодов кокоса Температура процесса: 450 – 600 0С Получаемые продукты: Бионефть (80 %), Уголь (20 %)

34. Биотехнологические методы переработки биомассы 32 Блок-схема производства биоэтанола

35. Биотехнологические методы переработки биомассы 33 Преимущества биоэтанола Недостатки биоэтанола ♦ меньшая теплота сгорания (на 30%), то есть выделяется меньше энергии, падает мощность, а расход топлива увеличивается; водосодержащий биоэтанол вызывает коррозию металлов; ♦ наличие воды и колебаний температуры создает возможность для расслоения топливной смеси; ♦ опасность разгерметизации труб и емкостей с биотопливом и увеличения процентного содержания воды. ♦ возобновляемость, ♦ Более низкий, по сравнению с чистым бензином, вклад в на 3,5%, ♦ E85 – на 50%. ♦ При наличии в биотопливе до 15% этилового спирта происходит уменьшение в выхлопных газах CO на 25%, углеводородов и оксидов азота – на 5–15%, так как биоэтанол дожигает вредные выбросы бензина. ♦ Биоэтанол является биодеградируемым продуктом и менее токсичен по сравнению с минеральным топливом. ♦ Биоэтанол практически не содержит серы. ♦ Добавление биоэтанола в бензин повышает октановое число, что избавляет от необходимости добавлятпарниковый эффект, поскольку выделяемый при жигании углекислый газ имеет первичное атмосферное происхождение. ♦ Е5 - снижение выделения углерода ь ТЭС или бутиловую присадку. ♦ Наконец, биоэтанол увеличивает детонационную стойкость топлива, поскольку температура самовоспламенения бензина 290 °C, а в смеси со спиртом – 425 °C.

36. 34 Состоялся первый перелет через Тихий океан на биотопливе Boeing 787 Dreamliner ♦ состоит из композитных материалов, которые делают его легче, следовательно ниже эксплуатационные расходы; ♦ возможность работать на биотопливе (расход топлива на 30 % меньше) Биотопливо (15 %) Авиац. Керосин (85 %) Получают из семян растений

37. Заключение и основные выводы: 1. Особенностью массового производства биотоплива является отсутствие стадии нефтедобычи – нет необходимости геологоразведки, бурения нефтяных скважин. Это несомненный плюс. 2. Высокий уровень потребления моторных топлив невозможно обеспечить только за счет ископаемых ресурсов. Следовательно, поиск альтернативных источников энергии для транспорта является, на сегодняшний день, важнейшей задачей.

38. Заключение и основные выводы: • 3. Наиболее важные преимущества биотоплив 3-го поколения: • Более низкая стоимость (в сравнении с нефтяными фракциями) • Отсутствие конкуренции с пищевым сектором экономики • Легкость переработки • Отсутствие конкуренции за землю • Высокая скорость роста (удвоение биомассы за 24 часа) • Высокая концентрация бионефти в водорослях (до 70 %) • При производстве биодизеля из морских водорослей образуется остаточная биомасса, которая может использоваться как удобрение • Культивирование водорослей не требуют гербицидов и пестицидов • Водоросли способны к эффективной утилизации диоксида углерода (1 кг водорослевой биомассы требует приблизительно 1.8 кг СО2) • Терпимость к изменению условий окружающей среды.