Co jsou biopaliva druhé generace?

Abstrakt vědeckého článku o průmyslových biotechnologiích, autor vědecké práce – Oleg Nikiforov

Koncem května 2008 byl v saském městě Freiberg (Německo) uveden do provozu největší světový závod na výrobu biopaliv druhé generace. Jeho zvláštností je, že použitými surovinami nejsou potravinářské plodiny, jako je řepka a kukuřice, ale odpad – dřevo a sláma. Význam této akce zdůraznila německá kancléřka Angela Merkelová, která na slavnostní otevření nové výroby speciálně přišla. Podle ní „dnes mají syntetická paliva všechny podněty k tomu, aby byla základním pilířem dodávek energie šetrné ke klimatu“.

Podobná témata vědecké práce o průmyslových biotechnologiích, autor vědecké práce – Oleg Nikiforov

Technické a ekonomické aspekty farmářské výroby bionafty druhé generace z biomasy

Institucionální přístup k hodnocení ekonomických a environmentálních vyhlídek Krasnodarského regionu na globálním trhu s etanolem

Text vědecké práce na téma „Biopaliva druhé generace“

Biopaliva druhé generace

Koncem května 2008 byl v saském městě Freiberg (Německo) uveden do provozu největší světový závod na výrobu biopaliv druhé generace. Jeho zvláštností je, že použitými surovinami nejsou potravinářské plodiny, jako je řepka a kukuřice, ale odpad – dřevo a sláma. Význam této akce zdůraznila německá kancléřka Angela Merkelová, která na slavnostní otevření nové výroby speciálně přišla. Podle ní „dnes mají syntetická paliva všechny podněty k tomu, aby byla základním pilířem dodávek energie šetrné ke klimatu“.

Jednou z hlavních výhod nového způsobu výroby biolíhu je schopnost šetřit potravinami. Jak navrhují odborníci z developerské společnosti Choren, biopaliva druhé generace budou moci postupně nahradit rostlinný olej extrahovaný z různých zemědělských plodin a v současnosti používaný k výrobě etanolu. Na druhou stranu tento proces nemá nic společného s fermentací, která je základem výroby bioetanolu z rostlin obsahujících cukr.

Společnost Choren plánuje zvýšit produkci bioetanolu druhé generace, který se nazývá BTL (tekutá biomasa), na úroveň 18 milionů litrů ročně. To odpovídá roční potřebě paliva 15 tisíc osobních automobilů.

BTL má určité výhody ve srovnání s uhlovodíkovou surovinou a jinými typy syntetických paliv.

va. Ve srovnání s tradiční naftou snižuje emise CO2 o 90 %. Má výrazně méně emisí částic sazí a dalších škodlivých látek, jako je oxid uhelnatý, uhlovodíky a oxidy dusíku, než tradiční motorová nafta. Lze jej použít bez jakýchkoliv konstrukčních úprav v jakémkoli vznětovém motoru. I ve srovnání s etanolem vyžaduje jeho výroba z rostlin a stromů (hlavně topolu a vrby) o 2/3 méně zemědělské plochy.

BTL se vyrábí pomocí třístupňového zplynovacího systému patentovaného Chorenem. V první fázi se biomasa rozdělí na biokoks a plyn bohatý na pryskyřičné látky zahříváním v přítomnosti kyslíku na 400-500°C. Ve druhém stupni se tento plyn obohacuje o kyslík ve speciální spalovací komoře o teplotě více než 1400°C. Na

Ve třetí fázi se plyn a práškový biokoks smísí a přemění na syntetický plyn, který lze použít k výrobě elektřiny a tepla nebo se stát kapalným palivem pomocí Fischer-Tropschova procesu. Fischer-Tropschův proces, vynalezený v Německu ve 1920. letech 15. století, se v Malajsii používá již XNUMX let k přeměně zemního plynu na kapalné palivo. Podle specialistů společnosti se právě pro Rusko může biopalivo druhé generace stát úspěšným řešením pro vzdálené regiony, které nemají centralizované zdroje dodávek energie.

Nový typ biopaliva má však z pohledu místních ekologů i určité nevýhody. Organizace na ochranu životního prostředí Greenpeace tedy naznačuje, že v Německu pravděpodobně nebude dostatečné množství dřevěného odpadu k výrobě B^, takže bude stále nutné zabírat ornou půdu nikoli pro potravinářské plodiny, ale pro rychle rostoucí rostliny a případně dovážet suroviny ze -zahraničí. Biopaliva druhé generace jsou navíc na výrobu ještě dražší než etanol a bionafta. Na jeho výrobu si proto vyžádají značné dotace, které zasáhnou státní rozpočet. Biopaliva také nemohou vyřešit problém snižování emisí CO02 v Německu. V celkovém balíku cca 270 milionů tun CO02, který by se měl v Německu do roku 2020 ušetřit využitím obnovitelných energií, bude podíl biopaliv činit pouhých 5 milionů tun.

Jakýkoli rostlinný olej nebo alkohol získaný fermentací sacharidových surovin je nejjednodušší biopalivo. Ale aby jím mohla pohánět vozidla, je přeměněna a upravena. To jsou však příklady biopaliv z první generace a nyní vědci pracují na 5. generaci této technologie.

Biopalivo – koncepční pohled

V zásadě každý nosič energie, který je třeba spálit, je biopalivo. Ale v případě nerostů, jako je uhlí, ropa nebo plyn, prošla biomasa extrémně dlouhou cestou přeměny na nosiče energie. Moderní lidstvo nemůže čekat tak dlouho, a tak se vědci snaží tento proces urychlit, nebo alespoň radikálně změnit.

Stejně jako u konvenčních zdrojů energie mohou být biopaliva:

• Pevné (palivové dřevo, pelety, dřevěné uhlí);
• Kapalina (bionafta, bioalkoholy atd.);
• Plynné (osvětlení, pyrolýza nebo směs generátoru plynu).

Technologie, které jsou nyní popularizovány v soukromém segmentu, patří do první generace. V průmyslovém měřítku se biopaliva vyrábějí pomocí technologií druhé generace. Jen málokdo si ale představí rozdíl mezi nimi, výhody a nevýhody biopaliva. A to je extrémně špinavá situace. Ostatně školáci vědí, jaký je rozdíl mezi stíhačkou 1. a 5. generace, ačkoli žádný letoun nikdy ani neviděli.

První generace

Získávání biopaliv z potravinářských surovin bylo prvním krokem. Používají se plodiny s vysokým obsahem tuků a sacharidů. Například z řepky, cameliny a slunečnice se vylisuje olej, který se pak randomizuje a výstupem je bionafta a etanol se získává z kukuřice, brambor a obilí fermentací a destilací.

Do komentářů připojím další užitečné informace v pdf souborech:

Snadnost, s jakou tato technologie vstoupila do světa, se vysvětluje tím, že využívá již pěstované plodiny a do obratu se započítávají rozvinuté obdělávané plochy.

Druhá strana mince ale odhaluje nepěkný obrázek rostoucích cen potravin a nárůstu počtu hladovějících lidí ve světě. Tyto produkty se totiž místo toho, aby se používaly jako potraviny, zpracovávají jako technické suroviny. Kromě toho je podle Mezinárodní energetické agentury v celosvětovém měřítku k výrobě 1 % automobilových biopaliv zapotřebí 1 % plochy plodin.

A efektivita těchto technologií zůstává nedostatečná. K výrobě bionafty s energetickým obsahem 3 jouly jsou v průměru zapotřebí 2 jouly energie. Náklady zohledňují celý zemědělský cyklus (orba, setí, zpracování a sklizeň) a fázi zpracování.

Proto je potřeba další rozvoj technologií.

Druhá generace

K získávání biopaliv je nutné využívat nepotravinářské suroviny – dřevní odpad, kořenovou hmotu rostlin, ale i odpady z chovu hospodářských zvířat a potravinářského průmyslu. Možnost přeměny zemědělské půdy na plochy pro pěstování energetických plodin vyvolává vážné obavy i v Radě Evropy. Přijali proto vyhlášku, která od roku 2020 zakazuje výrobu biopaliv první generace.

Základem technologií druhé generace je biokarbon. V první řadě se jedná o celulózu a lignin. Ve speciálních reaktorech se fermentují, fermentují a používají se k výrobě:

• Ethanol;
• methanol;
• estery;
• Vícesytné alkoholy až do oktanolu včetně;
• Metan;
• Vodík.

V zásadě je na biopaliva nahlíženo prizmatem jejich použití ve spalovacích motorech. A pokud ano, pak jsou požadavky na biopaliva standardizovány podle charakteristik klasického benzínu nebo nafty.

V této generaci dochází k zajímavému vývoji. Například suchou destilací borového dřeva za určitých podmínek vzniká směs metylalkoholu, terpentýnu a ketonů v takovém poměru, že tento produkt úspěšně nahrazuje benzín A-80.

Americká společnost Virent již několik let vyvíjí, patentuje a vyrábí biobenzín, který se absolutně neliší od benzínu získávaného z minerálních surovin! Ve skutečnosti se tento produkt nazývá biobenzín, k jeho výrobě se používá biomasa a speciální katalyzátory a samotný proces se nazývá „BioForming“.

Kvalita výsledného produktu je tak vysoká, že benzín Virent prošel rozsáhlým testováním, včetně úspěšné bezpečnostní studie provedené společností Shell na desítce vozidel ve Spojeném království. Benzín Virent byl také používán v soutěži F1 týmem Scuderia Ferrari Formule 1. Benzín Virent také získal registraci EPA Part 79.

Kromě biobenzinu společnost vyrábí bionaftu a biotryskové palivo.

Problém, který řeší procesy biopaliv druhé generace, je získávání užitečné suroviny z této dřevité nebo vláknité biomasy, kde jsou prospěšné cukry uzavřeny v ligninu, hemicelulóze a celulóze.

Všechny rostliny obsahují lignin, hemicelulózu a celulózu. Tyto komplexní sacharidy (molekuly na bázi cukru) jsou nejprve „uvolněny“ ze svých vazeb, poté fermentovány a produkovány na alkoholy, estery a ketony.

Tato technologie má pozitivní i negativní stránky. Výhodou je, že se zemědělská půda nevyjímá z koloběhu pěstování potravinářských plodin. Biomasa pro technologie druhé generace, pokud je získávána z orné půdy, je pouze jako vedlejší produkt vlastní sklizně, nebo je pěstována na okrajových pozemcích, na kterých není možné efektivně pěstovat potravinářské plodiny. Ve většině případů se při pěstování nepoužívají žádná hnojiva ani dodatečná zálivka.

Negativním bodem této technologie je obtížnost zpracování surovin. Je zapotřebí více špičkových reaktorů a systémů přípravy biomasy.

Třetí generace

Jeho základem je akvakultura a řasy obecně. Výnos nejmenších řas je téměř 100krát vyšší než u nejproduktivnější zemědělské plodiny. Vzhledem k tomu, že to nevyžaduje aktivní lidskou účast, se směr jeví jako velmi slibný.

Různé druhy řas obsahují až 77 % mastných olejů (v suché hmotnosti), které se používají k výrobě bionafty. Zbytek (koláč) lze fermentovat, fermentovat a použít k výrobě alkoholů a esterů.

Existuje několik projektů na komercializaci této technologie, které se vyvíjejí ve Spojených státech s různým stupněm úspěchu. Ale pro maximální účinnost je nutná konstantní kladná teplota a hodně slunečního světla. Proto tato technologie není vhodná pro země s drsným klimatem. I když z tohoto pravidla existují výjimky. Například v Hamburku byla postavena budova, jejíž fasáda je pokryta fotobioreaktorem s modrozelenými řasami. Plánuje se získávání biopaliva z těchto řas pro energetické potřeby zařízení. Vzhledem k tomu, že zařízení bylo postaveno pomocí technologie Smart Home, jsou všechny procesy získávání energie z řas automatizované.

Technologie výroby biopaliva z řas je nová, takže obsahuje mnoho možností pro revoluční vylepšení ve všech fázích, od pěstování až po úpravu surovin v hotový produkt. Ve Spojených státech se od roku 2013 na trhu prodávají různé druhy biopaliv získaných z řas.

Přestože řasy nezabírají ornou půdu, neovlivňují náklady na potraviny a jejich pěstování má mnohem menší dopad na životní prostředí, tato technologie má určité nedostatky. Zejména bionafta z řas nesnižuje tekutost při nízkých teplotách. V některých situacích to může způsobit problémy při doplňování paliva do vozidel. A nedostatečně rozšířené rozšíření techniky zatím tuto možnost získání paliva nepřivedlo na konkurenceschopnou cenovou úroveň (ve srovnání s ropou).

Mnoho zemí však značně investuje do propagace technologií třetí generace. Například Spojené státy vyčlenily v letech 600 až 2013 na tyto účely 2018 milionů dolarů a Indie investovala 50 milionů indických rupií do praktické implementace na několika místech.

Čtvrtá generace

Biomasa v každém případě vyžaduje dodatečné zpracování a náklady na tuto fázi výroby biopaliv jsou často velmi vysoké. Proto vznikl nápad „donutit“ mikroorganismy přímo syntetizovat potřebné uhlovodíky ze slunečního záření, oxidu uhličitého a vody – to je koncept čtvrté generace.

Technologie se vyvíjí pouze na laboratorní úrovni. O vstupu na komerční trh se zatím nemluví. Ale jistého pozitivního pokroku již bylo dosaženo.

Geneticky modifikované sinice umožňují změnit směr vývoje těchto mikroorganismů. V transformovaném stavu již nefungují tak, aby co nejvíce zaplňovaly okolní prostor, ale produkovaly potřebné nosiče energie: metan, vodík, tuky.

Efektivitu takové transformace nelze s prvním generačním cyklem vůbec srovnávat. I podle nejkonzervativnějších odhadů je 50-100krát efektivnější při ukládání solární energie.

Pátá generace – pohled do budoucnosti

Jde zatím pouze o rozpracované koncepty, které jsou nicméně štědře financovány vládami západních zemí (hlavně USA). Faktem je, že účinnost vazby slunečního záření v téže kukuřici prostřednictvím fotosyntézy s následným zpracováním na etanol nepřesahuje 0,2 %. A teoretická maximální energetická účinnost fotosyntézy nepřesahuje 5 %.

Úkolem proto je zcela se vzdálit fotosyntéze!

Pravděpodobně půjde o zařízení, které absorbuje oxid uhličitý a vodní páru ze vzduchu a pomocí sluneční energie tyto látky přemění na uhlovodíkové palivo.

Fantastický? Velmi nereálný úkol, ale americké ministerstvo obrany na tento vývoj vyčleňuje vážné finanční prostředky. Faktem je, že dodávka paliva spřáteleným vojákům v některých oblastech Afghánistánu zvyšuje jeho cenu na 130 dolarů za litr. A na nejvzdálenějších základnách se cena nafty odhaduje na 300 dolarů za litr! Zohledňuje také skutečnost, že asi 70 % ztrát na technice a živé síle je pozorováno právě při útocích na palivové kolony a explozích kolon.

I když podle výsledků práce stojí biopalivo páté generace 25–40 dolarů za litr, ministerstvo obrany USA bude tuto variantu považovat za racionálnější.

Retrospektivní srovnání a očekávané vyhlídky

Sheikh Ahmed Zakia Mani, kdysi ministr těžby ropy Saúdské Arábie, vyjádřil velmi hlubokou myšlenku:

„Doba kamenná neskončila, protože došly kameny, a doba bronzová neskončila, protože došel bronz. Ropný věk skončí dříve, než dojde ropa, protože budou nalezeny nové možnosti, jak zajistit energii.“

V průměru se produkce biopaliv ve světě nyní zvyšuje o 7–8 % ročně. Rusko je jedním ze tří největších vývozců biopaliv. Ale bohužel jsou to jen pelety, které se vyrábí z těžebního odpadu. A ve zbytku světa, Evropské unii, USA, zemích Jižní Ameriky a jihovýchodní Asie lze téměř na každé čerpací stanici naplnit palivovou nádrž biobenzínem nebo etanolem, případně 100% směsí uhlovodíků získanou z alternativních Zdroje.

Díkykteré jste dočetli až do konce! Sdílejte s přáteli, zanechte své komentáře a navrhněte témata k diskusi, společně to bude zajímavější.

Přidejte se do naší skupiny na VK: https://vk.com/alter220

Portál ALTER220.RU s nejnovějšími zprávami a analytickými materiály ze světa alternativní energie.