Биотопливо, как элемент современной экологической системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

IX ЕЖЕГОДНЫЙ ВСЕРОССИЙСКИЙ КОНКУРС ДОСТИЖЕНИЙ ТАЛАНТЛИВОЙ МОЛОДЁЖИ «НАЦИОНАЛЬНОЕ ДОСТОЯНИЕ РОССИИ»

ТЕМА: БИОТОПЛИВО -- ЭЛЕМЕНТ СОВРЕМЕННОЙ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ

Автор:

Нечипуренко В.В.

Руководитель:

Бизюкина Т.А.

2014-2015

Введение

Управлять природой можно лишь подчиняясь ей Фрэнсис Бэкон

На сегодняшний день одна из главных проблем человечества - это рациональное и эффективное использование энергоресурсов. Существуют различные оценки мировых запасов нефти, в которых время истощения разведанных запасов при сохранении темпов ее добычи колеблется от 20 до 50 лет. В эти же сроки прогнозируется появление дефицита в балансе производства нефти и потребления топлива для двигателей внутреннего сгорания. Решение этой проблемы одно - поиск альтернативных источников энергии. За последние 5 лет во всем мире вырос интерес к альтернативным источникам топлива, одним из которых является биотопливо. Популярность биотоплива постоянно растет. Однако что именно представляет собой эта чудо - масса, которая имеет такую любимую во всем мире приставку БИО, пока знают только единицы.

Актуальность выбранной мною темы исследования состоит в поиске эффективных способов использования энергоресурсов, внедрения технологий энергосбережения и поиска возобновляемых источников энергии, в частности, для двигателей внутреннего сгорания.

Возобновляемая энергетика - это использование источников энергии, получаемой с помощью солнца, ветра, воды, а также геотермальная энергия земли. Практически все виды топлива, особенно на основе нефти, сложно и дорого производить. Сторонники альтернативной энергетики предлагают в качестве частичной замены традиционного топлива - биотопливо. Значительным перспективным резервом для погашения дефицита между производством нефти и потреблением топлива для двигателей внутреннего сгорания могут быть топлива, изготавливаемые на основе биомасс, прежде всего растительные масла и спирт. При правильном подходе из биотоплива получается фактически неиссякаемый источник энергии. Во многих странах уже законодательно введены добавки биодизеля в петродизель. При этом основным сырьем являются сельскохозяйственные культуры, например: рапс, кукуруза, сахарный тростник.

В современных условиях углубления проблем мировой экономики развитие возобновляемой энергетики в мире приняло ускоренный характер. Скорее всего в течение ближайшего десятилетия заложенная тенденция не просто сохранится, но и будет иметь повышательную динамику, что связано, прежде всего, с нарастающими в энергетике многофакторными кризисными явлениями глобального характера.

Процессы глобального масштаба обусловлены, прежде всего, двумя факторами:

1) ограничение геологических запасов ископаемого топлива - нефти и газа;

2) пагубное антропогенное воздействие человека на окружающую среду.

Сегодня мы уверенно можем сказать, что нарастающий экологический кризис ощущается все с большей остротой. Основным фактором экологического ущерба, связанного с глобальным изменением климата, выступает парниковый газ. При сжигании традиционных нефтяных топлив в атмосферу выбрасывается большое количество диоксида углерода, накопление которого в атмосфере приводит к парниковому эффекту. Парниковый газ образуется и от переработки и сжигании ископаемых видов топлива (70-80% антропогенного экологического ущерба). А использование биотоплива позволяет таким образом решить весьма важную проблему - защиту окружающей среды. Применение биотоплива позволяет сохранить в природе баланс диоксида углерода, т.к. его выбросы при сжигании биотоплива сопоставимы с количеством диоксида углерода, поглощаемого в процессе фотосинтеза.

Наиболее значительные продукты биоэкономики - биоэтанол и биодизель - единственные возобновляемые жидкие топлива, использование которых в качестве добавки к автомобильному топливу не требует изменения конструкции двигателей.

Целью настоящего исследования является обоснование перспективных направлений развития биотопливной отрасли в РСО-Алания на примере развития и работы предприятия ООО «Миранда» и разработка рекомендаций по применению выпускаемого биотоплива, в частности, биоэтанола.

Работа над этой темой позволила мне познакомиться с материалами международных соглашений, нормативно-правовых актов, директив ЕС, а также техническими документами международных организаций, трудами российских ученых в области возобновляемой энергетики. Членами Парламента Республики Северная Осетия-Алания были разработаны и предложены поправки в ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности». Законопроект был отправлен в Государственную Думу. В пояснительной записке к документу прилагается исчерпывающий список того топлива, которое может стать эффективным эквивалентом бензина и дизеля. Биоэтанол, биодизель - источники кинетической энергии и топливные элементы. Перейдя в будущем на такое топливо теоретически все должны получить только плюсы от подобной рокировки. Природа и люди больших городов вздохнет свободнее, на сжигание не будет тратиться все дорожающее классическое топливо (цены на новое топливо при полном переходе на него должны снизиться), биотопливо будет добываться из восстанавливаемых источников, для этого дела подойдут древесные опилки, свекла, соя, рапс, зерновые культуры и другие биологические запасы. И самое главное - нефть и газ имеют свойство заканчиваться, и чтобы этого не произошло неожиданно необходимо, создать страхующую базу, которая позволит не остаться без энергетических запасов.

В этой связи задача удовлетворения нарастающих потребностей населения мира в топливе, электрической и тепловой энергии наряду с обеспечением экологической безопасности обуславливает необходимость развития возобновляемой энергетики.

1. Основная часть

1.1 Биотопливо-альтернативный вид топлива

Биотопливо занимает особое место в структуре возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Будучи одним из немногих видов альтернативного топлива в транспортном секторе, биотопливо рассматривается в качестве важного ресурса для диверсификации источников энергии (диверсификамция (новолат. diversificatio -- изменение, разнообразие; от лат. diversus -- разный и facere -- делать) -- расширение ассортимента, изменение вида продукции, производимой предприятием, освоение новых видов производств с целью повышения эффективности производства, получения экономической выгоды) и обеспечения энергетической безопасности, развития сельского хозяйства и сельских районов, а также для смягчения последствий изменения климата путем сокращения выбросов парниковых газов. Биотопливо (от англ., biofuel. bio- био; fuel- топливо) - это вещество или группа веществ, которые при определенном взаимодействии дают возможность высвободиться тепловой энергии.

Наиболее часто производится и используется биоэтанол или просто этанол. Еще в начале 20-го века Генри Форд планировал заправлять этанолом свою модель TS, и первые дизельные двигатели могли работать на арахисовом масле. Но открытие огромных нефтяных месторождений способствовало применению бензина и дизельного топлива, и биотопливо на некоторое время было забыто. Однако повышение цен на нефть, наряду с растущей обеспокоенностью по поводу выбросов углекислого газа, сделали биотопливо снова популярным.

Добыча и использование ископаемого топлива разрушает нашу планету

На самом деле бензин и дизельное топливо - это древнее биотопливо. Но их причисляют к ископаемым видам топлива, поскольку они происходят из разложившихся растений и животных, которые были погребены под землей миллионы лет назад. Отличие биотоплива в том, что оно производится из растительного или животного сырья, полученного в настоящий момент.

Биотопливо представляет собой перспективное направление развития в энергетической отрасли. В использовании биотоплива вместо ископаемого топлива существуют два основных природосберегательных фактора:

1. Биотопливо - возобновляемый продукт, имеющий огромную сырьевую базу для производства. В отличие от традиционных топливных ресурсов, нефти или газа, производится из возобновляемого биологического материала, например, растений, навоза или отходов.

2. Экологичность использования.

Итак, биотопливо -- топливо из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов.

Виды топлив

Биотоплива разделяют на твердые, жидкие и газообразные. Твердые -- это традиционные дрова (часто в виде отходов деревообработки) и топливные гранулы (прессованные мелкие остатки деревообработки).

Жидкие топлива -- это спирты (метанол, этанол, бутанол), эфиры, биодизель и биомазут.

Газообразные топлива -- различные газовые смеси с угарным газом, метаном, водородом, получаемые при термическом разложении сырья в присутствии кислорода (газификация), без кислорода (пиролиз) или при сбраживании под воздействием бактерий.

Твердое биотопливо (дрова, топливные гранулы и брикеты)

Дрова -- древнейшее топливо, используемое человечеством. В настоящее время в мире для производства дров или биомассы выращивают энергетические леса, состоящие из быстрорастущих пород (тополь, эвкалипт и др.). В России на дрова и биомассу в основном идет балансовая древесина, не подходящая по качеству для производства пиломатериалов.

Топливные гранулы и брикеты -- прессованные изделия из древесных отходов (опилок, щепы, коры, тонкомерной и некондиционной древесины, порубочные остатки при лесозаготовках), соломы, отходов сельского хозяйства (лузги подсолнечника, ореховой скорлупы, навоза, куриного помета) и другой биомассы. Древесные топливные гранулы называются пеллеты, они имеют форму цилиндрических или сферических гранул диаметром 8-23 мм и длиной 10-30 мм. В настоящее время в России производство топливных гранул и брикетов экономически выгодно только при больших объемах.

Энергоносители биологического происхождения (главным образом навоз и т. п.) брикетируются, сушатся и сжигаются в каминах жилых домов и топках тепловых электростанций, вырабатывая дешёвое электричество.

Отходы биологического происхождения -- необработанные или с минимальной степенью подготовки к сжиганию: опилки, щепа, кора, лузга, шелуха, солома и т. д.

Жидкое биотопливо (биоэтанол, биобутанол, биометанол, диметиловый эфир, биодизель)

Биоэтанол

Этанол является менее «энергоплотным» источником энергии, чем бензин; пробег машин, работающих на Е85 (смесь 85 % этанола и 15 % бензина; буква «Е» от английского Ethanol), на единицу объёма топлива составляет примерно 75 % от пробега стандартных машин. Обычные машины не могут работать на Е85, хотя двигатели внутреннего сгорания прекрасно работают наЕ10 (некоторые источники утверждают, что можно использовать даже Е15). На «настоящем» этаноле могут работать только так называемые «Flex-Fuel» машины («гибкотопливные» машины). Эти автомобили также могут работать на обычном бензине (небольшая добавка этанола всё же требуется) или на произвольной смеси того и другого. Бразилия является лидером в производстве и использовании биоэтанола из сахарного тростника в качестве топлива. Биометанол - это обычный метанол, первый представитель гомологического ряда одноатомных спиртов, который используется в качестве биотоплива.

Биобутанол

Бутанол- C4H10O -- бутиловый спирт, бесцветная жидкость с характерным запахом. Широко используется в промышленности. В 50-х годах из-за падения цен на нефть начал производиться из нефтепродуктов. Бутанол не обладает коррозионными свойствами, может передаваться по существующей инфраструктуре. Может, но не обязательно должен, смешиваться с традиционными топливами. Энергия бутанола близка к энергии бензина. Бутанол может использоваться в топливных элементах и как сырьё для производства водорода.

Сырьём для производства биобутанола могут быть сахарный тростник, свекла, кукуруза, пшеница, маниока, а в будущем и целлюлоза.

Диметиловый эфир (ДМЭ) -- C2H6O.

Может производиться как из угля, природного газа, так и из биомассы. Большое количество диметилового эфира производится из отходов целлюлозно-бумажного производства. Сжижается при небольшом давлении. Диметиловый эфир -- экологически чистое топливо без содержания серы, содержание оксидов азота в выхлопных газах на 90 % меньше, чем у бензина. Применение диметилового эфира не требует специальных фильтров, но необходима переделка систем питания (установка газобалонного оборудования, корректировка смесеобразования) и зажигания двигателя. Без переделки возможно применение на автомобилях с LPG-двигателями при 30 % содержании в топливе. В июле 2006 года в Китае Национальная Комиссия Развития и Реформ (NDRC) приняла стандарт использования диметилового эфира в качестве топлива. Китайское правительство будет поддерживать развитие диметилового эфира, как возможную альтернативу дизельному топливу. В ближайшие 5 лет Китай планирует производить 5-10 млн тонн диметилового эфира в год. К примеру, департамент транспорта и связи г.Москва подготовил проект постановления городского правительства «О расширении применения диметилового эфира и других альтернативных видов моторного топлива».

Биодизель

Биодизель -- топливо на основе жиров животного, растительного и микробного происхождения, а также продуктов их этерификации. Для получения биодизельного топлива используются растительные или животные жиры. Сырьём могут быть рапсовое, соевое, пальмовое, кокосовое масло, или любое другое масло-сырец, а также отходы пищевой промышленности. Разрабатываются технологии производства биодизеля из водорослей.

Газообразное топливо (биогаз, биоводород, метан)

Газообразное топливо находит широкое применение в разных отраслях народного хозяйства. В производстве газовое топливо применяется для сжигания и нагрева теплоносителя в отопительных котлах, очень широко применяется в быту. В последнее время очень часто стали применять в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания. Бывает естественное (природное) и искусственное газовое топливо. Естественный газ или ещё его называют природный газ добывают из недр земли. Искусственный газ получают путем переработки горючих компонентов, которые имеются в составе дров, угля, торфа, нефти, газов. Например, при перегонке сухой нефти получают нефтяной газ; светильный газ получают путём нагревания каменного угля, древесины или торфа без доступа кислорода; генераторный газ (воздушный и водяной) получают путём воздействия на топливо перерабатываемое в генераторе с помощью воздуха или смеси воздуха с паром. Газ ацетилен получается путём воздействия на карбид кальция водой. Доменный газ получается при плавке чугуна в доменных печах, он является побочным продуктом доменного производства. Коксовый газ получается при образовании кокса в кокосовых печах путём нагревания специальных коксующихся сортов углей без доступа кислорода.

Биогаз -- газ, получаемый водородным или метановым брожением биомассы. Метановое разложение биомассы происходит под воздействием трёх видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих.

Первый вид -- бактерии гидролизные, второй -- кислотообразующие, третий -- метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида. Одной из разновидностей биогаза является биоводород, где конечным продуктом жизнедеятельности бактерий является не метан, а водород.

Биоводород -- водород, полученный из биомассы.

В настоящее время во всём мире ежегодно производится около 50 млн тонн водорода. Из них примерно 48 % производится из природного газа, 30 % - из нефти, и 18 % - из угля. При производстве водорода из углеводородов получается большое количество СО2, который является одной из причин глобального потепления. К тому же не все страны обладают собственными углеводородами. Решением этих проблем может стать производство водорода из биомассы. Водород из биомассы получается термохимическим или биохимическим способом. Метан синтезируется после очистки от всевозможных примесей так называемого синтетического природного газа из углеродосодержащего твердого топлива, такого как уголь или древесина. Этот экзотермический процесс происходит при температуре от 300 до 450 °C и давлении 1?5 бар в присутствии катализатора. В мире уже имеется несколько введенных в эксплуатацию установок получения метана из древесных отходов.

Сырье в производстве биотоплива

Растительное сырье разделяют на поколения: первое, второе, третье.

Первое поколение

Первыми начали использовать сельскохозяйственные культуры с высоким содержанием жиров, крахмала, сахаров. Растительные жиры хорошо перерабатываются в биодизель. Растительные крахмалы и сахара перерабатываются на этанол. Однако такое сырье оказалось крайне неудобным: помимо затратного землепользования с истощением почв и высокими потребностями в обработке почв, удобрениях и пестицидах, его изъятие с рынка прямо влияет на цену пищевых продуктов. Сахарная свекла относится к растительному сырью первого поколения. В этой связи производство биотоплива можно считать фактором дестабилизирующим мировую продовольственную экономику и оказывающим определенный вред окружающей природе и сельскому хозяйству.

Второе поколение

Непищевые остатки культивируемых растений, травы и древесина стали вторым поколением сырья. Его получение гораздо менее затратно, чем у культур первого поколения. Такое сырье содержит целлюлозу и лигнин. Его можно прямо сжигать, газифицировать (получая горючие газы), осуществлять пиролиз. Основные недостатки второго поколения сырья -- занимаемые земельные ресурсы и относительно невысокая отдача с единицы площади.

Третье поколение

Биотопливо третьего поколения производится из водорослей. По характеристикам они значительно превосходят растения, средой обитания для которых является суша. Если говорить упрощенно, водоросли «жирнее», так, например, в штамме водорослей содержание жиров составляет от 75 до 85% сухого веса. Выше мы уже упоминали об исключительной эффективности жира при использовании его для производства биотоплива: «чем больше жира - тем больше выход энергии». Дополнительным преимуществом водорослей является то, что с одной технологической площадки можно собирать до 35 урожаев в год. Также весьма интересным моментом является тот факт, что если размещать площадки для культивирования «биотопливных водорослей» ниже сброса тепла ТЭЦ, можно «покрыть» до 77 % потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей. Таким образом, биотопливо третьего поколения не требует земельных ресурсов, может иметь большую концентрацию биомассы и высокую скорость воспроизводства.

Один из перспективных путей развития поиска альтернативного топлива - получение биоэтанола из водорослей хлорелла. Этот вид водорослей по сей день никак не используется человеком.

1.2 Биотопливо, транспорт и экология

В ХХI веке на первое место выдвинулись задачи оптимального функционирования мировой энергетической системы, предполагающие комплексную увязку всех ее функций с целью обеспечения энергетической безопасности и стабильности в мире при сохранении окружающей среды, обеспечении устойчивого развития и повышении качества жизни.

Выполнение данных задач можно назвать переходом от индустриальной к постиндустриальной энергетике, независимой и, одновременно, более экологичной. По оценкам специалистов, это может сложиться не ранее середины ХХI века. Поэтому многие страны стараются частично перейти на использование возобновляемых источников энергии, чтобы дополнить или заменить иссякающие углеводородные источники, таким образом, сделав переход к постиндустриальной энергетике более плавным и управляемым.

Неконтролируемое использование существующих ресурсов привело к необходимости направленных действий, которые помогли бы улучшить экологическую ситуацию. Одним из способов позаботиться об экологической ситуации является использование безвредного топлива в различных видах транспорта. Для обеспечения работы автомобилей может использоваться биоэтанол, биодизель или биогаз.

Биоэтанол - это жидкое топливо, биотопливный заменитель бензина. Производится из зерновых культур - по большей части пшеницы, сахарной свеклы и маиса, соевых бобов и сахарного тростника. Биометанол - метанол, который используется в качестве биотоплива.

Биодизель - биотопливный заменитель дизеля. Получают из масел зерновых культур - чаще всего семян репса и пальмового масла.

Две вышеперечисленные формы - так называемое "биотопливо первого поколения", так как они получены из сырого материала, который можно использовать в пищевом производстве.

Биогаз - биотопливная замена природного газа. Его получают из органических отходов, включая отходы животноводческих хозяйств и мусора, полученного от муниципальных, коммерческих и индустриальных источников, прошедших процесс анаэробного разложения. Биогаз может производится из отходов животных, а также за счет выделяющегося на свалках газа.

Биотопливо для автомобилей кажется хорошим способом снизить количество вредных выбросов, но в то же время автовладельцам стоит знать, что перейти сразу на такое топливо невозможно. Некоторым моделям авто понадобится усовершенствование системы питания и двигателя. Современные модели автомобилей разработаны таким образом, что могут работать на разных видах топлива.

Производство биодизеля осуществляется с использованием растительных масел. В зависимости от выбранного сырья будут отличаться и некоторые характеристики полученного топлива. Как сырье могут использоваться льняное, рапсовое или подсолнечное масло. В процессе производства смесь расслаивается на биодизель, глицерин и слой мыла.

Качество полученного биодизеля можно определить на вид. По цвету и консистенции он должен быть похож на подсолнечное масло. В очищенном биодизеле не должны быть заметны частицы, замутнения или примеси. После того, как биотопливо для автомобилей было использовано впервые, необходимо проверить топливные фильтры.

Недостатком биотоплива для автомобилей является закупорка отложениями в виде кристаллов воска, а также повреждение лакокрасочного покрытия и снижение эффективности при низких температурах.

По мнению ученых, дизельное биотопливо может быть использовано как примесь к солярке или же в чистом виде. Для того, чтобы мощность двигателя не снижалась и не рос объем используемого горючего, необходимо регулировать мотор. Такое топливо может продлить срок эксплуатации двигателя.

В ноябре 2007 было создано Агентство по возобновляемому топливу, которое должно контролировать введение требований к использованию возобновляемого топлива. Европейская комиссия поставила задачу использовать к 2020 году альтернативные источники энергии как минимум в 10% транспортных средств. Так, например, правительство Великобритании анонсировало новые требования к использованию возобновляемого топлива в качестве меры, поддерживающей использование биотоплива и других возобновляемых источников энергии в транспортном секторе. C 1 апреля 2011 года на более чем 300 шведских заправочных станциях уже можно приобрести новый дизель. Швеция стала первой страной в мире, где можно заправлять машины экодизелем, сделанным на основе масла шведских сосен. По оценкам Worldwatch Institute в 2007 году во всём мире было произведено 54 миллиарда литров биотоплива, что составляет

1,5 % от мирового потребления жидких топлив. США и Бразилия производят 95% мирового объёма этанола.

В 2010 году мировое производство жидких биотоплив выросло до 105 миллиардов литров, что составляет 2,7 % от мирового потребления топлива на дорожном транспорте. В 2010 году было произведено 86 миллиардов литров этанола и 19 миллиардов литров биодизеля. Доля США и Бразилии в мировом производстве этанола снизилась до 90 %.

Вместе с тем рынок биотоплива в России, несмотря на свое бурное развитие, еще молод и незащищен. Практически во всех регионах, существуют крупные инвестиционные проекты, связанные с биоэнергетикой. Республика Северная Осетия - Алания обладает крупнейшими в России мощностями по производству биоэтанола и на протяжении нескольких последних лет реализует крупный инвестиционный проект. В республике действует программа, в соответствии с которой поступающий в продажу бензин должен содержать 5-7% биоэтанола. На сегодняшний день Северная Осетия - российский лидер по производству биоэтанола.

1.3 Преимущества и недостатки использования биотоплива

Формирование современных тенденций мирового рынка биотоплива сопровождается развитием противоречий субъектов на всех уровнях - от групп государств до отдельных хозяйствующих структур и потребителей. При этом экономические, экологические и социальные эффекты от внедрения биотоплива остаются предметом обширных споров. Учитывая тот факт, что стоимость биотоплива по сравнению с традиционными видами топлива несколька высока, во многих случаях более рентабельными в борьбе за уменьшение глобального потепления климата оказываются такие методы, как сокращение энергоемких видов транспорта, повышение эффективности традиционных энергоресурсов, а также охрана и восстановление лесных массивов, поэтому, современное формирование биотопливного рынка - процесс сложный и противоречивый и может стать существенным препятствием дальнейшего развития. И тем не менее рассмотрим все «ЗА» и «ПРОТИВ»

Преимущества биотоплива:

· Мобильность по сравнению с другими альтернативными источниками энергии

В настоящее время у более «радикальных» альтернативных энерготехнологий, таких как солнечная энергетика и ветроэнергетика есть одна большая проблема -- мобильность. Поскольку солнце и ветер не имеют постоянного характера, для обеспечения больших мощностей в таких энерготехнологиях приходится использовать относительно тяжелые аккумуляторные батареи (но с совершенствованием технологий эта проблема постепенно решается). С другой стороны -- биотопливо, его довольно легко транспортировать, оно обладает стабильностью и довольно большой «энергоплотностью», его можно использовать с незначительными модификациями существующих технологий и инфраструктуры.

· Снижение стоимости

В настоящее время на рынке биотопливо стоит столько же, сколько и бензин. Тем не менее в использовании биотоплива больше преимуществ, поскольку это более чистый вид топлива, он производит меньше выбросов при сжигании. Биотопливо можно адаптировать к существующим конструкциям двигателей, которое будет хорошо использоваться в любых условиях. При этом такое топливо лучше для двигателей, оно снижает общие затраты на контроль за загрязнением двигателя и, следовательно, его использование требует меньше затрат на техническое обслуживание. С увеличением спроса на биотопливо есть вероятность, что в будущем оно станет дешевле, а колонки можно будет ставить на уже имеющихся заправках.

· Адаптация к двигателям и их эксплуатация

Обладая отличными смазочными характеристиками, высокой температурой воспламенения, биодизель благоприятно действует на срок службы двигателя. Расчеты показали, что ресурс двигателя при использовании этого вида топлива может увеличиться на 60%! Кроме того, использование биодизеля не вынуждает как-то модернизировать или изменять существующие двигатели, следовательно, он более безопасен.

· Возобновляемые источники

Бензин получают из сырой нефти, которая не относится к возобновляемым ресурсам. Хотя современных запасов ископаемого топлива хватит еще на много лет, они в конечном итоге когда-то закончатся. Биотопливо изготавливается из различного сырья, такого как навоз, отходы сельскохозяйственных культур и растений, выращенных специально для топлива. Это возобновляемые ресурсы которые, вероятно, не закончатся в ближайшее время. Совершенно ясно одно: нефти на земле с каждым годом становится все меньше, а биотопливо может стать новым источником дохода для компаний производителей и новым рычагом влияния для стран.

Извлекаемые запасы ископаемых первичных энергоносителей и ежегодный прирост биомассы (в млрд. т нефтяного эквивалента)

Таблица 3

Виды топлива	Мировые запасы	Мировое извлечение в год	Потенциал, годы
Нефть	130	4	30-35
Уголь	720	2	350
Природный газ	104	2,1	50
Природный газ в газогидратах: -подземный -в океане	22000 5106	- -	? ?
Ежегодный рост растительной биомассы	80		неограниченно

· Сокращение выбросов парниковых газов

При сжигании ископаемое топливо производит большое количество углекислого газа, который считается парниковым газом и причиной удержания солнечного тепла на планете. Сжигание угля и нефти повышает температуру и вызывает глобальное потепление. Чтобы уменьшить воздействие парниковых газов, можно использовать биотопливо. Исследования показывают, что биотопливо снижает выбросы парниковых газов до 65 процентов. Кроме того выращивание культур для биотоплива частично поглощают оксид углерода, что делает систему использования биотоплива ещё более устойчивой. Биодизель в сравнении с обычным дизельным топливом почти не содержит серы. При попадании в почву или воду он практически полностью разлагается уже через три недели.

· Экономическая безопасность для стран, не обладающих большими запасами топлива

Не каждая страна обладает большими запасами нефти. Импорт нефти оставляет существенную брешь в экономике страны. Если люди начнут склоняться в сторону использования биотоплива, то зависимость от импорта будет снижаться. Благодаря росту производства биотоплива создастся больше рабочих мест, что должно положительно отразиться на экономике страны.

Недостатки биотоплива

· Ограничения региональной пригодности

Растительное сырье для биотоплива, вероятнее всего, будет выращиваться в определенных регионах. Это связано с рядом причин, главная из которых - это то, что некоторые культуры просто лучше растут в одних местах и хуже в других.

При выборе региона для производства растительного сырья надо учитывать:

§ Водопользование - чем меньше воды используется для выращивания сельскохозяйственной культуры, тем лучше, так как вода является ограниченным ресурсом. Особенно это критично в более засушливых местах.

§ Инвазивность - урожай, который убивает местные растения и который трудно контролировать может поставить под угрозу биоразнообразие и серьезно повредить экосистему региона.

§ Удобрения - питательные вещества необходимые для растений. Некоторые растения требуют меньше органических ресурсов, чем другие.

§ Климат - в некоторых местностях просто невозможно выращивать биотопливные культуры, например, в местности с холодным или засушливым климатом.

· Продовольственная безопасность

Проблема с выращиванием сельскохозяйственных культур для топлива заключается в том, что они займут землю, которую можно было бы использовать для выращивания продуктов питания. В мире с постоянно растущим населением проблема наличия земли для сельскохозяйственных целей становится все более острой.

· Ограничение на изменение землепользования

При очистке земли от местной растительности для выращивания сырья удар по экологии наносится с трех сторон:

разрушается среда обитания животных и микроэкосистемы;

в процессе очистки территории от местной растительности увеличивается потребление энергии, поэтому производство получается очень энергоемким и связано с большим количеством выбросов загрязняющих веществ в процессе обработки;

растет потребление удобрений, которые будут загрязнять почву и через нее водные пути и всю окружающую среду.

Изменения в землепользовании для производства биотоплива имеют значительные недостатки, поэтому для производства биотоплива лучшим решением является использование существующей земли, но это уменьшает количество земли для продовольственных целей.

· Проблемы, связанные с выращивание монокультуры

Конечно, для получения большого количества урожая легче вырастить один вид культуры. Такая практика выращивания одной культуры называется монокультура. Примеры монокультур можно найти по всему миру, выращивание одного вида стало более распространенным в последние 20-30 лет.

Выращивание одного вида урожая изменяет окружающую среду с точки зрения доступной для вредителей пищи. Например, если урожай картофеля поедается определенным вредителем, который может мигрировать только на несколько сотен метров, а картофельные поля разделены кукурузными полями, то появление вредителей на одном картофельном поле не станет проблемой, поскольку вредители не смогут переместиться за пределы одного поля. Однако без кукурузных полей вредитель может легко уничтожить весь урожай.Использование же пестицидов при выращивании монокультуры для борьбы с вредителями неизбежно ведет к выработке у вредителя устойчивости к этим средствам. Как следствие урожай будет страдать.

При обращении к генной инженерии, когда изменяется сама культура и делается устойчивой к вредителям, отпадает необходимость использования пестицидов. Отлично! Но проблема состоит в том, что скорее всего модификации культуры не спасут абсолютно от всех вредителей, и через несколько лет производители столкнуться все с той же проблемой истребления урожая.

Ключ к здоровью культур по всему миру заключается в биоразнообразии, которое означает просто наличие большого количества различных видов растений и животных. Таким образом, если один сорт картофеля приходит в упадок, то существует другой сорт картофеля, который его может заменить. Это особенно важно, когда речь идет о продовольственных культурах.

· Ограничение в составе бензина/дизеля

В современных автомобилях биоэтанол и биодизель могут применяться лишь в составе обычного бензина/дизеля соответственно. И лишь в небольших количествах, не более 10%. Если превысить этот порог, то безвредное для экологии топливо может спокойно навредить топливной системе автомобиля и его двигателю. Высокая вязкость биодизеля не позволяет использовать его в холодное время, поэтому требуется применять смеси, состоящие на 20% из биодизеля и на 80% из солярки (марка В20).

· Конструкция двигателей

Для того, чтобы автомобиль мог ездить на чистом биотопливе, необходим доработанный двигатель и другие топливные магистрали, без этого никак. Бесконтрольное использование биотоплива может привести к поломкам двигателей автомобилей.

· Стоимость биотоплива

На сегодняшний день литр произведенного в России биоэтанола E85 составит 32-33 рубля, а 92-й на некоторых заправках стоит меньше.

· Загрязнение окружающей среды

Некоторые виды биотоплива могут привести к загрязнению окружающей среды опасными веществами, стандартов по которым на сегодняшний день не существует.

· Химический состав

Само по себе биотопливо является сильным растворителем, которое со временем может забить мелкие форсунки инжекторной системы двигателя. Практически в каждую марку биотоплива входит этанол, что делает топливо выражено гигроскопичным веществом, а растворяющаяся в нем влага может вызывать коррозию двигателя. Помимо этого, различные компоненты топлива могут оказывать негативное действие на уплотнители, прокладки и системы подачи топлива.

1.4 Перспективы развития биоэкономики России

Пока существует научный спор «ЗА» и «ПРОТИВ» рост производства биотоплива медленно, но уверенно продолжается. Рынок биотоплива в России, несмотря на свое бурное развитие, еще молод и незащищен. Биотопливо и биогаз в относительно небольших количествах могут производиться не как самоцель, а как результат переработки отходов. И для развития биоэкономики России есть свои аргументы в пользу использования биологического сырья:

1. производство биодизеля позволяет ввести в оборот неиспользуемые сельскохозяйственные земли. Россия из-за своих климатических особенностей среди "энергетических" культур может ориентироваться только на выращивание рапса. А если учесть, что у нас по состоянию на 2010 год не использовалось более 15 млн. га пашни, которые могли бы быть отданы на выращивание пшеницы или рапса топливного назначения, то перспективы нашей страны как экспортера не только нефти, газа, но и биотоплива, весьма заманчивы;

2. особенностью массового производства биотоплива является отсутствие стадии нефтедобычи - нет необходимости геологоразведки, бурения нефтяных скважин. Это несомненный плюс.;

3. использование отходов сельского хозяйства, деревопереработки, пищевой промышленности. Это не только расширит сырьевую базу для биотоплива, но и снизит конкуренцию и, соответственно, цены на "пищевые" культуры. Перечень органических отходов, пригодных для производства биогаза: навоз, птичий помёт, зерновая и меласная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов -- соленая и сладкая молочная сыворотка, отходы производства биодизеля -- технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков -- жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки -- мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов -- очистки, шкурки, гнилые клубни;

4. биотопливо, в первую очередь, подразумевает использование биоэтанола и биодизеля. Из всего произведенного этанола 80% имеет топливное применение, 12% - техническое и 8% - пищевое. Прослеживается явная тенденция к увеличению доли топливного этанола в ближайшем будущем. Но не стоит забывать, что на сегодняшний день биоэтанол не является полным заменителем бензина. Однако все эти отрицательные моменты можно обойти, используя топливо с низким содержанием (до 10%) этанола. Нужно учитывать и экологический фактор. Процесс сгорания этанола гораздо эффективнее по сравнению с бензином, что уменьшает токсичность выхлопных газов;

5. переработанный навоз, барда и другие отходы применяются в качестве удобрения в сельском хозяйстве. Это позволяет снизить применение химических удобрений, сокращается нагрузка на грунтовые воды;

6. запасы пропадающей зря биомассы очень велики в России с ее огромной пустующей территорией. Их рациональная переработка позволила бы частично решить энергетическую проблему, особенно для удаленных регионов. Целесообразно поставить акцент не на целевой ориентации посевов под биотопливо, а для начала на использовании уже существующих отходов, не искать замену нефти, а использовать технологию для очистки территорий от ранее произведенных отходов. Это правильное направление, в котором главное - соблюдать баланс, не отказываться совсем, но и не перегибать палку.

Таким образом, эксперты выделяют ряд преимуществ биоэкономики.

1. В социальной сфере это диверсификация экономики сельского хозяйства и ее рост; развитие сельских регионов; улучшение социальной ситуации в городах, где расположены гидролизные заводы; укрепление здоровья человека; благоприятные перемены в экологии и качестве жизни.

2. В экономике - снижение себестоимости, более тщательный контроль свойств продукции; появление новых продуктов и рынков; снижение зависимости торговли от энергоресурсов.

3. В экологии биоэкономика позволяет предотвращать загрязнение окружающей среды, снижать объемы выбросов газов, вызывающих парниковый эффект, и других ядовитых веществ; создавать новые материалы, химикаты и топливо из биомассы; использовать продукты многоразового использования и переработки.

2. Исследовательская часть

2.1 Развитие производства биоэтанола в РСО-Алания

Сельскохозяйственное производство является одним из главных потребителей минерального углеводородного топлива. Так, в целом по России потребляется около 5 млн. тонн топлива, или почти 42% общего потребления всеми отраслями.

В Российской Федерации до настоящего времени не было сколько-нибудь достаточного опыта применения альтернативных видов топлива на основе имеющихся биоресурсов. Сейчас начинает формироваться рынок возобновляемых энергоресурсов в нашей стране. Комплексное применение биотоплива в различных областях сельского хозяйства и строительство инновационного производства биоэтанола будет уникальным для России.

Республика Северная Осетия - Алания - один из регионов - производителей сельскохозяйственной продукции в России. Сельское хозяйство может являться не только потребителем природных топливно-энергетических ресурсов, но и производителем топлива, в первую и основную очередь, для собственных нужд. Развитие альтернативной энергетики в сельском хозяйстве на основе растительных возобновляемых источников сырья позволит в значительной степени нивелировать отрицательное воздействие негативной динамики роста цен на нефтепродукты, стабилизировать развитие отрасли и решить много других важных задач. биотопливо спирт этанол горючее

С принятием Государственной Думой России 17 октября 2014 года в третьем чтении поправок в ряд законов, в том числе об энергоэффективности, позволяющих использовать в энергетике и на транспорте в России не только бензин, природный газ, электричество, но и такие альтернативные виды энергии, как биодизель, биоэтанол, источники кинетической энергии, в РСО-Алания появилась возможность производить биоэтанол. В настоящее время в рамках повышения энергетической эффективности региона или муниципалитета можно замещать бензин и дизель природным газом, газовыми смесями, сжиженным углеводородным газом, электрической энергией. С соответствующей инициативой в Госдуму обратился парламент Северной Осетии.

Как отметил заместитель председателя парламента РСО-Алания Гарий Кучиев, поправки к закону «Об энергосбережении и повышении энергетической эффективности» (статья 14) были разработаны комитетом по жилищно-коммунальному хозяйству и строительной политике в мае 2014 года. Эти предложения получили поддержку региональных парламентов. «Биоэтанол производится по современной, безотходной технологии. В качестве исходного сырья используются зерновые культуры, урожайность которых в республике из года в год растет. Но если учесть, что законодательство не закрепляло биоэтанол в качестве топлива для транспорта, были проблемы со сбытом, и как следствие, сдерживалось поступление налоговых платежей во все уровни бюджета»,-- сказал Кучиев. Разработчик закона, главный консультант отраслевого комитета Олег Датиев подчеркнул: «В первую очередь применение биоэтанола позволит снизить муниципальные расходы на содержание общественного транспорта и улучшит экологическую обстановку. Поправки в закон не предполагают каких-либо дополнительных затрат из средств бюджета. Немаловажно, что решается вопрос сельскохозяйственного производства - есть перспектива увеличения посевов рапса для последующего производства биодизельного топлива, а самое главное, что в отличие от нефтепродуктов биотопливо производится из растительного сырья, которое является возобновляемым источником».

В начале 2012 года во Владикавказе был построен и заработал первый завод по производству биоэтанола в России. Производством такого компонента занимаются на ООО «Миранда», по некоторым сведениям, единственном действующем подобном предприятии в стране. Предприятие построилось за полтора года. Территория завода разбита на три зоны: производственную; административно-бытовую; подсобно-вспомогательную.

Основная деятельность предприятия - выпуск топливного этанола (биоэтанола). Биоэтанол-жидкое спиртовое топливо, пары которого тяжелее воздуха. Он вырабатывается из сельскохозяйственной продукции, содержащей крахмал или сахар: из кукурузы, зерновых или сахарного тростника. В отличие от спирта, из которого производят алкогольную продукцию, топливный этанол не содержит воды и производится методом ускоренной дистилляции, вследствие чего содержит метанол и сивушные масла, а также бензин, что делает его непригодным для питья. Крепость этанола 99,9% объема. биотопливо спирт этанол горючее

Наиболее приемлемыми источниками получения возобновляемого биотоплива являются низкосортные зерновые культуры и отходы пищевой промышленности. Поставщиками сырья для производства биоэтанола стали сахарные заводы Краснодарского края, но у предпринимателей немало и иных предложений, которые рассматриваются.

2.2 Методы производства

Брожение

Известный с давних времён способ получения этанола -- спиртовое брожение органических продуктов, содержащих углеводы (виноград, плоды и т. п.) под действием ферментов дрожжей и бактерий. Аналогично выглядит переработка крахмала, картофеля, риса, кукурузы. Реакция эта довольно сложна, её схему можно выразить уравнением:

C6H12O6 > 2C2H5OH + 2CO2

В результате брожения получается раствор, содержащий не более 15 % этанола, так как в более концентрированных растворах дрожжи обычно гибнут. Полученный таким образом этанол нуждается в очистке и концентрировании, обычно путем дистилляции.

Промышленное производство спирта из биологического сырья

Современная промышленная технология получения спирта этилового из пищевого сырья включает следующие стадии:

· подготовка и измельчение крахмалистого сырья -- зерна (прежде всего -- ржи, пшеницы), картофеля, кукурузы и т. п.;

· ферментация; на подавляющем большинстве спиртовых производств мира ферментативное расщепление крахмала до спирта при помощи дрожжей оставлено; для этих целей применяются рекомбинантные препараты альфа-амилазы, полученные биоинженерным путем -- глюкамилаза, амилосубтилин;

· брагоректификация; осуществляется на разгонных колоннах (например, «Комсомолец»).

Отходами бродильного производства являются барда и сивушные масла. Барда используется для производства кормов.

Гидролизное производство

В промышленных масштабах этиловый спирт получают из сырья, содержащего целлюлозу (древесина, солома), которую предварительно гидролизуют. Образовавшуюся при этом смесь пентоз и гексоз подвергают спиртовому брожению. В странах Западной Европы и Америки эта технология не получила распространения, но в СССР (ныне в России) существовала развитая промышленность кормовых гидролизных дрожжей и гидролизного этанола.

2.3 Этанол как топливо

Этанол является менее «энергоплотным» источником энергии чем бензин; пробег машин, работающих на Е85 (смесь 85% этанола и 15% бензина; буква «Е» от английского Еthanol) на единицу объёма топлива составляет примерно 75% от пробега стандартных машин. Обычные машины не могут работать на Е85, хотя прекрасно бегают на Е10 (некоторые утверждают что можно использовать даже Е15). На «настоящем» этаноле могут работать только так называемые машины «Flexible-fuel» (к сожалению, русского перевода пока нет). Эти автомобили также могут работать на обычном бензине (небольшая добавка этанола всё же требуется) или на произвольной смеси того и другого. Бразилия является лидером в производстве и использовании биоэтанола из сахарного тростника в качестве топлива. Автозаправки в Бразилии предлагают на выбор либо Е20 (иногда Е25) под видом обычного бензина, либо «acool» Е100, азеотроп этанола (96% С2Н5ОН и 4% (по весу) воды). Пользуясь тем, что этанол дешевле бензина, недобросовестные заправщики разбавляют Е20 азеотропом, так что его концентрация может негласно доходить до 40%. Переделать обычную машину в «Flex-fuel» можно, но экономически нецелесообразно.

Топливные смеси этанола

Е5, Е7, Е10 -- смеси с низким содержанием этанола, (5, 7 и 10 весовых процентов, соответственно), наиболее распространённые в наши дни. В этих случаях добавка этанола не только экономит бензин путём его замещения, но и позволяет удалить вредную окcигенирующую добавку МТБЭ (метил-трет-бутиловый эфир).

Е85 -- смесь 85 % этанола и 15 % бензина - это стандартное топливо для так называемых «Flexible-fuel» машин, распространённых, в основном, в Бразилии, и в меньшей степени в других странах. Из-за более низкой энергоплотности продаётся дешевле, чем бензин.

Е95 - смесь 95 % этанола и 5 % топливной присадки. Компания Scania начала разрабатывать дизельный двигатель для автобуса, работающий на 95% этаноле в середине 80-х годов. Создана программа испытаний городских автобусов с двигателями, работающими на 95% этаноле - BEST (BioEthanol for Sustainable Transport).

Е100 -- формально 100 % этанол, однако в силу того, что этанол гигроскопичен, получение и использование этанола без остаточной концентрации воды невыгодно. Поэтому в большинстве случаев под Е100 подразумевают стандартную азеотропную смесь этанола (96 % С2Н5ОН и 4 % воды, (по весу); 93 % и 7 % в объёмных процентах). Выше концентрацию этанола невозможно получить путём обычной дистилляции.

Энергоэффективность этанола

В декабре 2007 года Университет Северной Дакоты и Центр Автомобильных Исследований Миннесоты (MnCAR) опубликовали результаты исследования энергоэффективности применения биоэтанола в автомобильном транспорте. В исследовании принимали участие как обычные автомобили, так и автомобили с Flex-fuel двигателями. Исследовались смеси от 2% до 85% содержания этанола в бензине.

Для обычных автомобилей наиболее оптимальным оказалась смесь Е30. Потребление топлива снизилось на 1% в сравнении с бензином. Результат получен на автомобилях Toyota Camry и Ford Fusion.

Для flex-fuel автомобилей оптимальной оказалась смесь Е20. Потребление топлива снизилось на 15% в сравнении с бензином. Результат получен на flex-fuel Chevrolet Impala.

Экологические аспекты применения этанола в качестве топлива

Биоэтанол как топливо нейтрален в качестве источника парниковых газов. Он обладает нулевым балансом диоксида углерода, поскольку при его производстве путём брожения и последующем сгорании выделяется столько же CO2, сколько до этого было связано из атмосферы использованными для его производства растениями.

Содержащийся в этаноле кислород, позволяет более полно сжигать углеводороды топлива. 10% содержание этанола в бензине позволяет сократить выхлопы аэрозольных частиц до 50%, выбросы СО - на 30%,

В 2006 году применение этанола в США позволило сократить выбросы около 8 млн. тонн парниковых газов (в СО2 эквиваленте), что примерно равно годовым выхлопам 1,21 млн. автомобилей.

...