Биотопливо для чайников: как мусор, кукуруза и водоросли помогут выжить человечеству

Разработки альтернативных источников энергии ведутся давно – с 1970-х годов, когда в США выпустили федеральный закон, контролирующий загрязнение воздуха  (Clean Air Act). Целью закона было сокращение уровня выбросов транспортных средств: самолетов, поездов, автомобилей. С тех пор разработки ведутся непрерывно, и исследования постоянно расширяются, так как к экологической повестке добавилась проблема глобального изменения климата.  

 

Сейчас энергетические потребности сельского хозяйства России на 90% удовлетворяются ископаемыми видами топлива – нефтью, углем, а также природным газом. Поэтому одной из финансовых проблем фермеров называют рост цен на ГСМ в разгар полевых работ. В связи с этим российским аграриям полезно задуматься о возможностях производства и использования биодизеля.

 

Этанол – из растительного сырья

 

Наш любимый углеводород, служащий основой алкогольных напитков – прекрасное, чистое и эффективное топливо. Спирт смешивается с бензином для повышения октанового числа и сокращения количества угарного газа и других выбросов, создающих смог в атмосфере. Вот несколько фактов в пользу использования этилового спирта:

 

• Использование 10% смесей этанола снижает выброс парниковых газов на 12-19% по сравнению с обычным бензином, по данным Argonne National Laboratory. 
• Американская Пульмонологическая Ассоциация (Чикаго) подтверждает, что применение смеси этанола с бензином уменьшило образующие смог выбросы на 25% с 1990 года.
• Этанол снижает выброс оксида углерода (CO) на целых 30% - даже в новых автомобилях. 
• Этанол снижает на 50% содержание твердых частиц в выхлопе. Эти выхлопы представляют угрозу для детей, пожилых людей и людей с заболеваниями дыхательной системы. Этанол также снижает образование вторичной пыли, уменьшая количество ароматических углеводородов в бензине. 

 

Биоэтанол производится из растительных крахмалов и сахаров, особенно часто – из кукурузного крахмала. Ученые продолжают разрабатывать технологии, которые позволят использовать целлюлозу и гемицеллюлозу, составляющие волокна растений. Обычный метод преобразования биомассы в этанол называется ферментацией. Во время ферментации микроорганизмы (бактерии и дрожжи) метаболизируют растительные сахара и производят этанол.

 

Для превращения любого сырья в этанол требуется энергия. Биоэтанол, полученный из кукурузы, показывает положительный энергетический баланс. Это означает, что процесс производства спиртового топлива требует меньше энергии, чем содержит само топливо. Целлюлозный этанол еще эффективнее, поскольку исходным сырьем для него являются либо отходы, побочные продукты другой отрасли (древесина, пожнивные остатки), либо такие культуры, как просо и мискантус, с низкими требованиями к воде и удобрениям по сравнению с кукурузой. Еще одно преимущество целлюлозного этанола заключается в том, что он приводит к более низким уровням выбросов парниковых газов в течение жизненного цикла растений.

 

Этанол – прозрачная бесцветная жидкость и имеет одинаковую химическую формулу независимо от того, из какого сырья он произведен. В основном спирт производится из зерна кукурузы (США), сахарного тростника (Бразилия) или из целлюлозного сырья, такого как древесная щепа или пожнивные остатки (Европа и Канада).

 

Наиболее распространенными смесями этанола являются E10 (10% этанола, 90% бензина) и E15 (15% этанола, 85% бензина) и они одобрены для использования в большинстве обычных автомобилей с бензиновым двигателем. Некоторые транспортные средства сегодня работают альтернативном топливе с гораздо более высоким содержанием этанола, чем обычный бензин – это E85 (смесь бензина и этанола, содержащая 51–83% этанола, в зависимости от географического положения страны и сезона). Сегодня более 97% бензина в США содержит то или иное количество этанола.

 

Этанол имеет более высокое октановое число, и бензин с более низким октановым числом смешивается с 10% этанолом для достижения стандартного октанового числа 87. Этанол содержит меньше энергии на единицу объема по сравнению с бензином. Например, денатурированный этанол (98% этанола) содержит примерно на 30% меньше энергии, чем бензин. Влияние спирта на экономию топлива зависит от содержания его в топливе и от того, оптимизирован ли двигатель для работы на бензине или этаноле.

 

Биодизель – из отработанных жиров

 

Биодизель — это жидкое топливо, производимое из возобновляемых источников, (свежие и использованные растительные масла и животные жиры). Его можно назвать более чистой заменой дизельного топлива на нефтяной основе. Биодизель нетоксичен, биоразлагаем и производится путем смешивания спирта с растительным маслом, животным жиром или переработанным кулинарным жиром. Тем не менее, следует заметить, что назвать биодизель экологически чистым топливом было бы неверно. Он дает меньшее количество выбросов углекислого газа в атмосферу, чем обычное дизтопливо, но все-таки это не нулевой выброс.

 

Преимуществами биодизеля в российской  Национальной биотопливной ассоциации считают:

 

• Биологическую безвредность. По сравнению с минеральным маслом, 1 литр которого способен загрязнить 1 млн литров питьевой воды и привести к гибели водной флоры и фауны, биодизель, как показывают опыты, при попадании в воду не причиняет вреда ни растениям, ни животным. Кроме того, он подвергается практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за месяц перерабатывают 99% биодизеля, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озер при переводе водного транспорта на альтернативное топливо.
• Меньше выбросов СО2. При сгорании биодизеля выделяется ровно такое же количество углекислого газа, которое было потреблено из атмосферы растением, являющимся исходным сырьем для производства масла, за весь период его жизни. 
• Относительно «чистое» топливо. В мировой практике лимитируется ряд компонентов выхлопных газов, среди них: монооксид углерода СО, несгоревшие углеводороды, окислы азота NOX и сажа. Очевидны преимущества биодизеля по показателям продуктов сгорания: монооксида углерода, углеводородов, остаточных частиц и сажи.
• Малое содержание серы. Выбросы вредных веществ можно минимизировать при помощи катализатора, превращающего углеводороды и окись углерода в воду и углекислый газ. Но катализаторы чувствительны к присутствию серы, «отравляющей» катализатор на длительное время и приводящей к увеличению выброса остаточных частиц. Поэтому здесь особенную роль играет тот фактор, что биодизель в сравнении с минеральным аналогом почти не содержит серы (< 0,001 % против минерального дизтоплива < 0,2 %).
• Хорошие смазочные характеристики. Минеральное дизтопливо при устранении из него сернистых соединений теряет свои смазочные способности. Биодизель же, несмотря на обедненность серой, характеризуется хорошими смазочными свойствами. 
• 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%.

 

Как и дизельное топливо, полученное из нефти, биодизель используется в качестве топлива для дизельных двигателей. Биодизель можно смешивать с нефтяным дизельным топливом в любом процентном соотношении, включая B100 (чистое биодизельное топливо) и наиболее распространенную смесь B20 (она содержит 20% биодизеля и 80% нефтяного дизельного топлива).

 

Производительность биодизеля в холодную погоду зависит от смеси биодизеля, исходного сырья и характеристик нефтяного дизельного топлива. Как правило, смеси с меньшим процентным содержанием биодизеля лучше работают при низких температурах. Зимой производители и поставщики топлива борются с кристаллизацией, добавляя присадку, улучшающую текучесть на холоде. 

 

Другие виды биотоплива 

 

Есть множество других видов топлива, получаемых из массы растительного происхождения с помощью различных биологических, термических и химических процессов. Эти продукты могут быть химически идентичными  традиционному бензину, дизельному топливу или топливу для реактивных двигателей. На сегодня самым высоким стандартам соответствуют шесть видов топлива, в основном они прозводятся и используются в США:  

 

• Парафино-керосиновое топливо Фишера-Тропша из твердой биомассы (например, древесных отходов); максимальная доля смеси 50%
• Синтезированный парафиновый керосин, полученный из использованного кулинарного масла, животных жиров, водорослей и растительных масел (например, рыжикового); максимальная доля смеси 50%
• Синтезированное изопарафиновое топливо из ферментированных сахаров (SIP), максимальная доля смеси 10%
• Спиртовое реактивное топливо, произведенное из изобутанола или этанола; максимальный уровень смеси 50%
• Реактивное топливо, полученное из жиров, масел и смазок, максимальная доля смеси 50%
• Углеводородное топливо, полученное из сложных эфиров и жирных кислот; максимальная доля смеси 10%