Евгений Панцхава - Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз. Теория и практика. Монография

Большая часть муниципальных отходов – твердых бытовых отходов (ТБО) – представляет собой биологические материалы, а их вывоз на полигоны создает пригодные условия для анаэробного сбраживания. ТБО имеют более сложный состав, чем сырье в биогазовых установках. Сбраживание происходит медленнее, обычно в течение нескольких лет, а не недель. Конечный продукт, известный под названием "свалочный газ", также представляет собой смесь преимущественно CH 4и CO 2. Теоретически выход газа в течение "жизни" полигона может составить 150–300 м 3на тонну ТБО при концентрации метана от 50 до 60 объемных процентов. Это соответствует 5–6 ГДж энергии на тонну ТБО. На практике выход биогаза меньше.

Все больше свалочный газ используется для производства электроэнергии. В настоящее время большинство установок использует двигатели внутреннего сгорания, например, стандартные судовые двигатели. При типичном выходе газа, равном 10ГДж/час, могут быть установлены двигатель и генератор мощностью 500 кВт.[4–4].

Этанол, а также другие низшие спирты, альдегиды и кетоны – продукты спиртового брожения разнообразных сахаро- и крахмалосодержащих субстратов. Однако наиболее распространенными видами сырья для производства этанола являются отходы сахарного производства: багасса или меласса (сахарная свекла), а также крахмал кукурузы, сорго, картофеля, пшеницы и риса. В России этанол получают также при брожении гидролизатов древесины (целлюлозы).

Наиболее значительный интерес в мире к жидким биотопливам (особенно к этанолу) для использования на транспорте появился в период с 1970 по 1990 г. и обязан этим высоким ценам на нефть. Однако и в настоящее время в развивающихся странах он имеет тенденцию к продолжению вследствие экологических проблем [4–3].

В некоторых странах этанол в чистом виде или в смеси с бензином (газо-хол) широко применялся в 70-е годы для двигателей внутреннего сгорания.

Наиболее значительный интерес в мире к жидким биотопливам (особенно к этанолу) для использования на транспорте появился в период с 1970 по 1990 г. и обязан этим высоким ценам на нефть. [4–7].

В последние годы разработаны технологии получения биоэтанола из синтез-газа, что значительно расширяет сырьевые возможности от лигноцеллюлозы до угля. Эти технологии включены в производственную цепочку получения углеводородов – биокеросина и биобензина.

Продуктивность 1 акра пашни по этанолу в США:

1 акр кукурузы = 150–300 бушелей кукурузы = 420–840 галлонов (1.9 – 3.8 куб. м) этанола.

2) 1 акр травы = 5-15 тонн растительного материала = 1501200 галлонов (0.7 – 5.5 куб. м) этанола.[8].

Биодизельное топливо имеет те же характеристики, что и обычные дизельные масла, которые могут использоваться в дизельных двигателях. Биодизельное топливо может быть получено из любого маслосодержащего растения – семян рапса, сои, кактусов и т. д… Преимущество биодизельного топлива состоит в том, что его производство основано на широко известных технологиях получения растительных масел с их дальнейшим метилированные и растительных углеводородов.

В 80-е годы возрос интерес к растительным углеводородам. Как правило, эффективные продуценты углеводородов и масел являются представителями тропической и субтропической флоры. Однако и в умеренном климате имеются культурные растения, семена которых содержат значительные количество масел, – подсолнечник, конопля, лен, рапс и др.

Использование этого метода для утилизации твердой биомассы и, прежде всего, твердых органических отходов также может внести существенный вклад в энергетику, в частности, в производство тепловой энергии. Метод основан на процессе бактериального окисления твердых органических веществ с образованием тепловой энергии, которая повышает температуру пропускаемого воздуха до 80…90 °C. Путем компрессии температуру выходящих газов можно поднять до 110 °C. В некоторых странах, например, в Японии, разработаны опытно-промышленные установки КПД которых достигает 95 % [4–2].

К 2030 году потребление энергии в мире вырастет на 60 % [4–9]. Эта тенденция потребует увеличения производства различных видов энергоносителей и их источников.

Одна из особенностей решения этой проблемы в ХХI веке состоит в том, что энергопроизводство должно быть экологически чистым.

Все вышесказанное потребует увеличения вклада биомассы в общий энергобаланс.

15 июля 2011 г. немецкая авиакомпания Lufthansa запустила первый коммерческий рейс по маршруту Гамбург – Франкфурт – на – Майне на смеси традиционного керосина и биотоплива, произведенного финской компанией Neste Oil. Использование биотоплива NExNTL стало возможным в авиации после 1 июля 2011 г., когда данный вид топлива был одобрен ASTM International – Американским обществом испытаний и материалов.[4-10].

Neste Oil принимает активное участие в программе ЕС “Европейский план авиаперевозок на биотопливе, которая поставила цель использования биотоплива и других ВИЭ в авиации в объеме 2 млн. тонн к 2020 г. Lufthansa Airbus A321 с регистрацией D-AIDG будет летать по маршруту Гамбург-Франкфурт-Гамбург четыре раза в день. Один из его двигателей будет работать на 50/50 смесь регулярных топлива и биосинтетических керосин. Био-синтетических керосин, используемые Lufthansa, получается из биомассы, состоящей из ятрофы, рыжика(растение) и животных жиров.[4-11]. Ранее биотоплива в авиации были испытаны в ряде стран.

Штурмовик А-10 летает на смеси биотоплива и авиакеросина 29 марта 2010 г.

Рис. 4–2. «Военный Паритет».

26 марта штурмовик А-10 Thunderbolt II совершил первый полет с использованием в обоих двигателях топлива со смесью биотоплива и обычного авиакеросина JP-8. Полет состоялся на базе Эглин ВВС США, расположенного вблизи Вальпараисо (штат Флорида).

Это был первый полет летательного аппарата, вся силовая установка которого работала на биотопливе. Испытательный полет явился частью работ по разработке этого вида топлива (программа HRJ – hydrotreated renewable jet), который в отличие от обычного реактивного топлива горит чище, без выделения таких соединений как сера. Работами по созданию биотоплива занимается НИИ Дейтонского университета (штат Огайо).

В качестве биокомпонента послужило семейство растений камелина, родственное горчице, капусте и брокколи, но не используемое в качестве пищи. При сжигании биотоплива уменьшается выброс твердых частиц. Это событие знаменует собой важный этап программы разработки альтернативных топлив. Такой вид топлива пройдет сертификацию на самолетах F-15 Eagle, F-22 Raptor и C-17 Globemaster III.