Виды биотоплива: сравнение характеристик твердого, жидкого и газообразного топлива

Альтернативой традиционным энергоресурсам являются различные виды биотоплива, для изготовления которых используется растительное либо животное сырье, отходы промышленности и результаты жизнедеятельности организмов.

Предлагаем разобраться в достоинствах и недостатках применения такого горючего, узнать особенности производства, функциональные характеристики, а также оценить эффективность использования разных типов биологического топлива. Приведенная информация поможет сориентироваться в выборе альтернативных источников энергоресурсов.

Что такое биологическое топливо

Наиболее перспективным направлением в энергетике являются технологии, предусматривающие использование возобновляемых ресурсов, к числу которых относится и биологическое топливо.

Наиболее распространенным видом биологического топлива являются обычные дрова. 38% населения Земли используют их для отопления и приготовления пищи

В качестве сырья для его производства можно брать биомассу растительного/животного происхождения, включая отходы промышленных производств либо остатки жизнедеятельности животных.

Обработка таких веществ производится термохимическим или биологическим методом, в последнем случае топливо получают при помощи различных видов микроорганизмов.

Доля использования биологических видов топлива постоянно растет, что способствует сохранению ископаемых ресурсов углеводородов (+)

Во многих странах действуют специальные программы по расширению доли биотоплива в национальном и региональном энергопотреблении. В ряде государств имеются также обязательные нормы использования этого источника энергии.

Достоинства и недостатки биотоплива

У биологических видов горючего есть свои положительные и отрицательные стороны. Интерес к использованию этого вида сырья вызван его несомненными достоинствами.

К ним относятся:

• Бюджетная стоимость. Хотя на данный момент цены на биотопливо практически совпадают со стоимостью бензина, биологические вещества считаются более выгодным видом горючего, поскольку при сжигании дают меньше выбросов. Биотопливо пригодно к применению в различных условиях, при этом его можно адаптировать к двигателям разных конструкции. Еще одним плюсом является оптимизация работы мотора, который дольше остается чистым из-за малого количества сажи и выхлопным газов.
• Мобильность. Биологическое топливо отличается от других вариантов альтернативных источников энергии своей мобильностью. В конструкции солярных и ветряных установок обычно входят тяжелые аккумуляторные батареи, поэтому они чаще всего используются стационарно, тогда как биогорючее можно без особых хлопот перевозить из одного региона в другой.
• Возобновляемый источник энергии. Хотя, по мнению исследователей, существующих залежей сырой нефти хватит как минимум на несколько сотен лет, ископаемые запасы все-таки конечны. Биотопливо, изготавливаемое из растений и отходов жизнедеятельности животных, относится к числу возобновляемых ресурсов, которым в обозримом будущем не грозит исчезновение.
• Охрана атмосферы земли. Крупным недостатком традиционных углеводородов является большой процент CO₂, который выделяется при сжигании. Этот газ создает в атмосфере нашей планеты парниковый эффект, создавая условия для глобального потепления. При сгорании же биологических веществ количество  углекислого газа снижается до 65%. Помимо этого культуры, используемые в производстве биотоплива, потребляют оксид углерода, уменьшая его долю в воздухе.
• Экономическая безопасность. Запасы углеводородов распределены неравномерно, поэтому часть государств вынуждена закупать нефть или природный газ, тратя на приобретение, транспортировку, складирование большие средства. Различные виды биологического горючего можно получать практически в любой стране. Поскольку для его изготовления и переработки понадобится создание новых предприятий и, соответственно, рабочих мест, это принесет пользу народному хозяйству и положительно скажется на благосостоянии людей.

Совершенствование технологий и развитие новых методов сможет усилить положительный эффект биотоплива. Так, разработка технологий с использованием планктона и водорослей позволит значительно снизить его цену.

В то же время на современном этапе развития наук и технологий производство биотопливо связано с рядом сложностей и неудобств. Прежде всего, это природные ограничения в выращивании растений.

Для произрастания культур, используемых для выработки биомассы, требуется учитывать ряд факторов, а именно:

• Водопользование. Сельскохозяйственные растения потребляют много воды, являющейся ограниченным ресурсом, особенно в засушливых местах.
• Инвазивность. Выращиваемые на топливо культуры часто бывают агрессивны. Они заглушают аутентичную флору из-за чего может пострадать биоразнообразие и экосистема региона.
• Удобрения. Для произрастания многих растений требуется дополнительное внесение питательных веществ, которые могут нанести вред другим культурам или общей экосистеме.
• Климат. Отдельные климатические зоны (например, пустыня или тундра) не подходят для выращивания биотопливных культур.

Активное выращивание сельскохозяйственных растений связано и с истощением земледельческих ресурсов,  Несоблюдение правил агротехники может привести к снижению содержания полезных компонентов почв и, как следствие, к их истощению, что вызовет обострение продовольственной проблемы.

Происходит нарушение экосистемы. Для производства биомассы  обычно требуется расширение территорий, задействованных в сельском хозяйстве.

Нередко с этой целью проводится зачистка территории, что приводит к разрушению микроэкосистемы (например, леса), гибели растений и животных.

Для выработки биотоплива уже сейчас выращивается большой объем сельскохозяйственных культур. На производство биомассы идет более 50% производимого в Европе рапса, более трети американского зерна, почти половина выращиваемого в Бразилии сахарного тростника

Возникают проблемы с выращиваем монокультур. Для получения большего урожая биомассы производители часто засеивают земли определенным растением. Подобная практика не слишком хорошо отражается на состоянии сельскохозяйственных угодий, поскольку монокультура ведет к изменению окружающей среды.

На полях, занятых одним видом растений, обычно паразитируют особые разновидности вредителей. Попытка борьбы с ними при помощи инсектицидов и пестицидов приводит лишь к выработке устойчивости к данным средствам.

Чтобы избежать описанных выше проблем, ученые советуют не пренебрегать биоразнообразием культур, совмещая на полях несколько растений, а также использовать местные сорта флоры.

Поколения альтернативного горючего

Широкий ассортимент растительного сырья, используемого для биомассы, принято разделять на несколько поколений.

Первое поколение. К этой категории относятся сельскохозяйственные культуры, в которых содержится высокий процент крахмала, сахаров, жиров. Это такие популярные растения, как кукуруза, сахарная свекла, рапс, соя.

Поскольку выращивание этих культур наносит ущерб климату, а их изъятие с рынка влияет на ценообразование продуктов, ученые пытаются заменить их на другие виды биомассы.

Из сельскохозяйственных растений, относящихся к первому поколению сырья, в настоящее время вырабатываются почти все виды современного жидкого топлива (биодизель, этанол)

Второе поколение. В группу биомассы входит древесина, трава, сельскохозяйственные отходы (скорлупа, шелуха). Получение биотоплива из такого сырья требует больших затрат, однако позволяет решить вопрос утилизации не пищевых остатков с одновременным производством горючих материалов.

Особенностью культур, входящих в эту разновидность, является присутствие в них лигнина и целлюлозы. Благодаря им биомассу можно сжигать и газифицировать, а также подвергать пиролизу, получая жидкое топливо.

Главным недостатком биомассы второго поколения считается недостаточная отдача с единицы площади, из-за чего под такие культуры приходится отводить значительные земельные ресурсы.

Третье поколение. Сырьем для производства биотоплива служат водоросли, которые выращиваются в промышленных масштабах, например, в открытых водоемах.

Наиболее перспективным вариантом считается биотопливо, получаемое из одноклеточных водорослей. Такие растения быстро набирают массу, при этом для их выращивания не требуется плодородных земель

Подобная практика имеет большие перспективы, однако в настоящее время такие технологии только разрабатываются. Ученые также ведут исследования по созданию методик, позволяющих получить биотопливо четвертого и даже пятого поколения.

Три разновидности биотоплива

В зависимости от того, в каком агрегатном состоянии находится вещество, различают три основных типа биотоплива:

1. Твердое: дрова, торф, отходы жизнедеятельности животных и сельскохозяйственного производства.
2. Жидкое: биодизель, диметиловый эфир, биоэтанол, биобутанол.
3. Газообразные: биогаз, метан, биоводород.

Каждый тип веществ имеет свою специфику, речь о которой пойдет ниже.

Тип #1: твердое

К числу наиболее популярных твердых разновидностей биологического топлива относятся древесина, торф, отходы жизнедеятельности животных.

Древесина (дрова, щепа, опилки)

Древним видом биотоплива являются хорошо знакомые всем дрова, которые издавна применяются для обогрева домов и приготовления еды. До сих пор их активно используют в разных странах для получения тепло/электроэнергии, в частности, на дровах работает крупная Австрийская теплоэлектростанция, мощность которой составляет 66 мегаватт.

В то же время у подобного сырья имеются недостатки. Энергетическая ценность дров относительно невелика: при сжигании часть вещества оседает в виде сажи, из-за чего камины и печи необходимо регулярно прочищать. Кроме того, для восполнения запасов древесины требуется определенное время — новые деревья вырастут лишь через 15-20 лет.

Отличной альтернативой обычным дровам являются пеллеты (гранулы), для производства которых используется некондиционная древесина: кора, щепа, прессованные опилки, сучья.

Пеллеты, получаемые из древесины, торфа и различных отходов, имеют разный цвет. Светлые используются для топки каминов и печей, тогда как темные, с большим содержанием коры, предназначены для твердотопливных котлов

Для производства топливных пеллет сырье измельчается в пыль, которая затем высушивается и прессуется при высокой температуре. Благодаря содержащемуся в древесине лигнину образуется клейкая масса, из которой формируются небольшие цилиндрики длиной 5-70 мм и диаметром 6-10 мм.

Современной альтернативой традиционным дровам являются топливные брикеты четырех-, шести- или восьмигранной формы. Этот экологически чистый материал имеет высокую теплоотдачу

Наладить производство пеллет можно самостоятельно, изготовив пресс для топливных брикетов.

К числу популярных видов биотоплива причисляется древесная щепа, которая часто служит источником энергии на европейских ТЭЦ. Выработка этого сырья производится на лесозаготовках либо на специальных производственных линиях, оснащенных машинами-шредерами.

Болотный и лесной топливный торф

Это распространенная разновидность биотоплива, применяемая в бытовых и промышленных целях на протяжении веков. Торф представляет собой не полностью разложившийся в условиях болота слой мха, добыча которого осуществляется во многих странах мира: России, Белоруссии, Канаде, Швеции, Индонезии и других.

Торф, содержащий 50-60% углерода, считается популярным газоносным материалом. Это ценное сырье может применяться не только в качестве топлива, но и как удобрение либо теплоизолятор

Для удобства производственного процесса биомассу обычно перерабатывают на месте добычи. Процесс состоит в очистке (просеивании) сырья от посторонних выключений с последующей сушкой и формовкой в виде брикетов или гранул.

Топливо из сельскохозяйственных отходов

В сельскохозяйственном производстве, как правило, накапливается большое число разнообразных растительных отходов: внешние оболочки растений, ореховая скорлупа, солома.

Подобное сырье также можно подвергать прессовке и гранулированию, получая топливные пеллеты, характеристики которых практически не отличаются от гранул, изготовленных из древесной биомассы.

Биотопливо животного происхождения

Наряду с дровами еще в старину люди начали применять топливо животного происхождения, а именно кизяки – высохший навоз домашних животных. Современные технологии сушки и переработки подобного сырья позволяют получать твердые разновидности биотоплива, совершенно лишенные неприятного запаха.

С давних пор кочевые народы применяли в качестве горючего высушенный навоз лошадей, верблюдов, крупного рогатого скота. В настоящее время из отходов жизнедеятельности домашних животных изготовляется биотопливо в виде брикетов либо пеллет

Поскольку в настоящее время отходы животноводства накапливаются в промышленных масштабах, изготовление из них топлива одновременно решает вопрос об их утилизации.

Тип #2: жидкое

Жидкие варианты биотоплива, отличающиеся безопасностью и экологичностью, большей частью применяются в качестве замены бензина и других подобных средств. К числу наиболее распространенных вариантов относятся биоэтанол, биометанол, биобутанол, биодизель, диметиловый эфир.

Биоэтанол из растительных культур

Это распространенное жидкое биотопливо, которое используется для заправки автомобилей. Хотя чистое вещество не применяется в качестве горючего, его добавка в бензин способствует улучшению работы двигателя, увеличению его мощности, осуществлению контроля за нагревом мотора, снижению выбросов выхлопных газов.

На многих автозаправках Европы, Азии, Северной и Южной Америки предлагается не только традиционное горючее, но и различные виды биотоплива, прежде всего смеси, содержащие биоэтанол

Биоэтанол оценили также любители каминов. Это вещество имеет хорошую теплоотдачу, к тому же при его горении не образуется сажа или дым, а количество выделяемого углекислого газа сводится к минимуму.

Благодаря таким особенностям горючее можно применять даже для топки очага в многоквартирных дома. Подробнее о биотопливе для каминов написано в этой статье.

Выработка биоэтанола осуществляется из сырья первого поколения, содержащего крахмал либо сахар. Зерновые, кукуруза, сахарный тростник, свекла перерабатываются  по технологии спиртового брожения.

Биобутанол для заправки автомобилей

Биобутанол — полученный биологическим путем аналог бутанола. Бесцветная жидкость, обладающая характерным запахом, широко применяется в качестве химического сырья в промышленности, а также может использоваться как транспортное горючее.

Показатель энергоемкости бутанола близок к бензину, что позволяет частично заменять последний в топливных элементах. В отличие от биоэтанола, биобутанол может применяться самостоятельно, без добавления традиционных видов горючего.

Сырьем для производства этого биовещества служат самые разнообразные растения: свекла, маниока, пшеница, кукуруза.

Диметиловый эфир (C₂H₆O)

Это также экологически чистое топливо. При его сжигании в выхлопных газах отсутствуют соединения серы, а содержание соединений азота на 90% ниже, чем при сгорании бензина.

Диметиловый эфир можно применять без специальных фильтров, но в конструкцию автомобиля (система питания, зажигание двигателя) приходится вносить кардинальные изменения.

Диметиловый эфир считается перспективным вариантом автомобильного топлива. Машины с двигателями, рассчитанными на это горючее, разрабатывают такие крупные компании как Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan

Без каких-либо переделок можно использовать комбинированное топливо, содержащее 30% диметилового эфира в машинах, которые оснащены LPG-двигателями.

Жидкое горючее может производиться из различного сырья: природного газа, угольной пыли, биомассы и прежде всего из остатков целлюлозно-бумажного производства, трансформирующихся в жидкость при небольшом давлении.

Биометанол из одноклеточных водорослей

Подобное вещество является аналогом обычного метанола, который широко применяется для производства ряда химических соединений (уксусная кислота, формальдегид), а также используется в качестве антифриза и растворителя.

Впервые вопрос о производстве этого вида биотоплива был поднят в 1980-х годах, когда группа ученых предложила получать жидкую субстанцию путем биохимической трансформации морского фитопланктона, культивирование которого будет производится в специальных водоемах.

Биометанол имеет ряд потенциальных преимуществ:

• высокую энергоотдачу — 14 при получении метана, 7 при выработке метанола;
• отличную продуктивность фитопланктона — до 100 тонн с гектара в год;
• нетребовательность одноклеточных организмов, для культивирования которых не нужна пресная вода, плодородные почвы;
• сохранение земледельческих ресурсов, поскольку фитопланктон выращивается в прудах или морских заливах.

Хотя промышленное изготовление биометанола до сих пор не налажено, в настоящее время ведутся упорные исследования и разработка технологий для развития производства этого вида альтернативного горючего.

Биодизель как альтернатива транспортному горючему

Это жидкое моторное биотопливо, состоящее из смеси эфиров жирных кислот. Вещество безопасно для людей и животных, практически полностью разлагается в земле за 28 дней, а также имеет относительно высокую (<100) температуру возгорания.

Биодизель снижает процент выхлопов вредных газов, а также продлевает срок эксплуатации мотора, поскольку имеет в своем составе смазочные компоненты.

Горючее применяется для заправки автодвигателей как самостоятельно, так и в комбинации с обычным топливом. Следует учитывать лишь небольшой срок хранения биологического вещества: через три месяца начинается распад биологического вещества с полной потерей свойств.

Для биодизеля в странах ЕС был принят специальный стандарт EN14214. В ряде стран действует также стандарт EN590, допускающий добавку 5% биодизеля в другое топливо.

Тип #3: газообразное

К основным разновидностям газообразного биологического топлива относятся биогаз и биоводород.

Биогаз как замена природного газа

Биогаз представляет собой практически полный аналог природного газа: в нем содержится 13-50% CO_2, 49-87% метана, а также примеси H₂ и H₂S. Если это вещество очистить от углекислого газа, можно получить биометан.

Газообразное биотопливо изготовляется из биомассы методом водородного или метанового брожения. Последнее вызывается тремя видами микроорганизмов: сначала сырье подвергается воздействию гидролизных бактерий, которые затем сменяются кислотообразующими и метанообразующими микробами.

Производство биогаза может вестись на промышленных и кустарных устройствах. Наиболее распространенный способ производства – аэронобное сбраживание в метантанках

В качестве сырья могут применяться разнообразные материалы: силос, навоз, водоросли, сточные воды, помет, фекальные остатки, бытовые отходы. Исходное вещество приводится в гомогенное состояние, после чего его при помощи погрузчика его помещают в реактор.

Там поддерживается комфортная температура в +35-38°С, необходимая для осуществления процесса метанового брожения.

Сырье постоянно перемешивается, при этом образующийся газообразный продукт отводится в газгольдер (блок для хранения), откуда он попадает в электрогенератор.

Подробнее о получении биогаза из навоза и обустройстве биогазовой установки написано в статьях:

1. Как сделать биотопливо своими руками из навоза в домашних условиях
2. Биогазовая установка для частного дома своими руками: рекомендации по устройству и пример обустройства самоделки

Биоводород, полученный химическим методом

Разновидность газообразного биотоплива, представляющую собой аналог обычного водорода, получают из биомассы с помощью биохимического либо термохимического методов.

При термохимическом способе подготовленное сырье (например, отходы древесины) нагревают до температуры 500—800°C без доступа кислорода, при этом выделяются газы H₂, CO, CH₄.

Перспективным методом выработки биоводорода является биофтолиз. В этом случае газ производится при помощи водорослей, которые помещаются в морскую воду, канализационные стоки

При биохимическом способе сырье выдерживается в комфортных условиях при нормальном давлении и температуре примерно в 30°C.

В биомассу вносятся специальные микроорганизмы Enterobacter cloacae, Rodobacter speriodes, которые разлагают исходный продукт, выделяя водород. Для ускорения производства с использованием полисахаридов допускается внесение энзимов.

Выводы и полезное видео по теме

На представленном ниже ролике можно увидеть процесс изготовления популярного вида биотоплива — древесных брикетов:

Виды биологического топлива различаются не только агрегатным состоянием, но и характеристиками. При выборе подобных материал необходимо принимать во внимание их планируемое использование, эффективность, функциональные свойства и стоимость.

Есть опыт использования альтернативного горючего? Или хотите задать вопросы по теме биотоплива? Пожалуйста, комментируйте публикацию и участвуйте в обсуждениях. Блок обратной связи расположен ниже.