Виробництво і використання рідких палив із біомаси

Рідкі палива з біомаси є важливою складовою енергетичного балансу будь-якої країни, особливо якщо вона не може повністю забезпечити себе енергоносіями. Виробництво і використання рідких палив із біомаси впливає не тільки на зміцнення енергетичної безпеки країни, але й на поліпшення екологічної ситуації, сприяє створенню нових робочих місць, особливо у сільському господарстві і переробній промисловості.

Найбільш поширеними рідкими паливами, що отримують із біомаси і які наявні вже сьогодні на світовому енергетичному ринку, є біоетанол і біодизельне паливо.

Біоетанол. Паливний етанол, або біоетанол (європейський термін), є етанолом із біомаси, що застосовується як паливо. По суті він є абсолютизованим етиловим спиртом.

Етанол - найдавніший продукт біотехнології, що зародилася ще до нашої ери в Древньому Єгипті і Вавилоні. В цій технології цукор (глюкоза, сахароза та деякі інші речовини) зброджується (ферментується) в середовищі без кисню пекарськими (спиртовими) дріжджами. Ще до недавнього часу практично весь етанол, який отримувався дріжджовим зброджуванням цукрів, використовувався для виробництва алкогольних напоїв. Лише незначна його кількість, отримана переважно хімічним шляхом, використовувалася в промисловості.

Однак за останні ЗО років ситуація змінилася - в теперішній час більше половини світового виробництва етанолу використовується як добавка до палива для двигунів внутрішнього згорання.

Паливний етанол як добавка до бензину дозволяє збільшити октанове число і поліпшити експлуатаційні характеристики суміші, при цьому вміст етанолу до 15 % не потребує зміни конструкції сучасних двигунів внутрішнього згоряння і допоміжних приладів до них. Апробована концентрація етанолу в бензині коливається від 10 % (США) і 8 % (Канада) до 5-6 % (Франція, Польща), етанол при цьому має різні технічні характеристики.

При роботі на суміші бензину з етанолом зменшується концентрація шкідливих компонентів у вихлопних газах (CO, NOx тощо). Наприклад, вміст СО зменшується на 25 %, а вуглеводнів і NOx - на 5 %, що є особливо важливим для зменшення забруднення довкілля у великих містах зі значним використанням автомобільного транспорту. Спалювання етанолу, отриманого з біомаси, не впливає на парниковий ефект, тому що біомаса відносно С02 є нейтральною.

Сьогодні весь паливний етанол виробляється зброджуванням цукрів (цукрова тростина) або сировини, що вміщує крохмаль (в основному кукурудза). Світовими лідерами у виробництві паливного етанолу є Бразилія і США.

Виробництво етанолу в Бразилії відбувається з цукрової тростини і дозволяє щорічно заощаджувати декілька мільярдів доларів на придбання нафтопродуктів. Раніше в Бразилії виробляли в основному безводний етанол, який використовувався як паливо для автомобілів із спеціальними двигунами. В останній час Бразилія використовує рідинну суміш етанолу з бензином, що не потребує перероблення двигунів внутрішнього згорання і дизельних двигунів. Вміст етанолу у бензині становить близько 26 %, у дизельному паливі — 3 %, при цьому відсоток паливного етанолу в бензині регулюється урядом Бразилії залежно від виробництва цукру.

Виробництво паливного етанолу в США відбувається з кукурудзи, що є менш прибутковим, але дозволяє щорічно заощаджувати близько 1,5 млрд дол. США на придбанні нафтопродуктів, забезпечувати стабільну роботу сільського господарства, створювати нові робочі місця за рахунок будівництва спиртових заводів і поліпшувати екологічну ситуацію. З 1988 р. почалося виробництво нових автомобілів, які споживають паливо, до складу якого входить 85 % етанолу та 15 % бензину. Для традиційних автомобілів використовується бензин (газохол), що містить 10 % етанолу. Обсяг продажу газохолу в США становить більше 12 % загального обсягу продажу бензину.

В країнах Є С щорічно виробляється більше 2 млрд л етанолу, але як паливо використовується трохи більше 10 %. Згідно з директивами комісій ЄС, практично всі зареєстровані транспортні засоби можуть використовувати паливо з додатком до 15 % біоетанолу або ЕТБЕ (етилтретбутиловий ефір - естеризований біоетанол).

Базою для вироблення паливного етанолу в Україні можуть бути цукрові та спиртові заводи, більшість з яких працює з неповним завантаженням. Дооснащення цих заводів відповідними технічними лініями дозволить отримувати до 2 млн т етанолу на рік.

В Україні впроваджені технології виробництва аналогу паливного етанолу - високооктанової кисневмісної добавки (ВКД) до бензину. Використання ВКД забезпечує:

- підвищення октанового числа сумішевих бензинів, наприклад, добавка 8 % ВКД до товарного бензину А-76 підвищує його октанове число до вимог бензину АИ-92;

- зменшення концентрації шкідливих речовин у відпрацьованих газах при номінальних навантаженнях: NOx - на 4,5-16 %, CnHm - на 9-15 % (залежно від типу бензину і двигуна);

- різке зменшення викидів шкідливих речовин на холостому ходу та малих навантаженнях: NOx - на 13,2-51 %, CnHm - на 19-25 %.

Згідно з законодавчими актами України, повинне бути обов’язкове використання висооктанової кисневмісної добавки до бензинів при виробництві бензинів моторних сумішевих із поступовим (до 2007 р.) доведенням її вмісту у цих бензинах до 5 %.

Біодизель. Біо дизельне паливо (біо дизель) - це продукт перероблення рослинних олій (ріпакової, соняшникової, пальмової).

Одним з основних видів сировини для одержання біодизельного палива є ріпак, із якого отримується олія. За обсягами виробництва ріпакова олія посідає четверте місце у світі (9,7 %) після соєвої (29,7 %), пальмової (13,1 %) та соняшникової (12,3 %). Ріпакове насіння містить 45 - 50 % олії і при врожайності, яка досягає у деяких європейських країнах 40 ц/га, можна отримувати до 2 т олії з 1 га.

Існує кілька шляхів використання ріпаку для виробництва біодизельного палива, а саме:

- одержання олії, фільтрація і добавка її у традиційне дизельне паливо в об’ємі 20-50 % (при цьому відпадає потреба в створенні спеціальних двигунів);

- одержання олії, фільтрація і робота на чистій ріпаковій олії (потрібне створення спеціальних двигунів);

- одержання олії, її перероблення і отримання палива у вигляді ріпаково-метилового ефіру (немає потреби в створенні спеціальних двигунів);

- одержання олії, її перероблення на нафтоперегонних заводах з отриманням біодизельного палива (немає потреби в створенні спеціальних двигунів).

Біодизельне паливо для автомобільного транспорту на основі ріпакової олії має такі переваги у порівнянні з паливом із нафти:

- не впливає на парниковий ефект, оскільки ріпак, як і вся біомаса, є нейтральним відносно С02;

- має меншу концентрацію шкідливих речовин у вихлопних газах (концентрація СО, вуглеводнів і твердих частинок зменшується на 25-50 %, димність газів зменшується вдвічі);

- не містить канцерогенних речовин: поліциклічних ароматичних вуглеводнів, особливо бензапірену;

- має високий ступінь біологічного розкладу (за 21 день біологічний розклад його становить близько 90 %);

- для згоряння потребує меншу кількість повітря;

- має вищу температуру спалахування (крім РМЕ), що збільшує його пожежо безпечність.

До недоліків біодизельного палива в порівнянні з паливом із нафти можна віднести:

- знижена теплота згоряння, що призводить до збільшення витрати палива і падіння потужності двигуна до 16 %;

- велика в’язкість ріпакової олії, що призводить до погіршення розпилювання, сумішоутворення і згоряння в дизелі;

- необхідність частої заміни масляних фільтрів і проведення регламентних робіт на форсунках внаслідок сильного закоксування отворів розпилювачів.

Нині найчастіше використовують біодизель у вигляді продукту перероблення ріпакової олії - ріпаково-метилового ефіру, який за своїми моторними властивостями (октанове число, в’язкість, температури спалахування та застигання) близький до дизельного палива, що дозволяє його застосування на серійних дизелях без будь- яких змін у них.

У Європі для одержання РМЕ застосовується декілька технологій, параметри яких наведено в таблиці 4.4.6 [6], при цьому більшість країн Європи мають власні стандарти на РМЕ.

Таблиця 4.4.6 - Технології виробництва ріпаково-метилового ефіру Парамет ри Hohdruck Fold + Hahn (I) Feld + Hahn (II) Lurgi Vogel & Noot Спосіб виробни цтва Безперерв ний Періодич ний Безперервн ий Безперер­ вний Безперервний Вимоги до олії Гідратова на Повністю Гідратован а Гідратован а і нейтралізо вана Необроблена (гідратована) Кількість метанолу % від моль/мол ь олії 3,0 3,6 3,0 5,5 4,2 Каталізат ор Кислотни й NaOH NaOH CH3ONa КОН Кількість каталізат ора, % від об’єму олії 0Д5 0,4 0,7 0,6 1,4 Етапи процесу Промиван ня, перегонка Нейтраліз ація, промиван ня Промиванн я, сушіння Нейтраліза ція, промиванн я, сушка Видалення метанолу, нейтралізація, промивання

Спожива
ння енергії, кВттод/т	998	547	195	229	148

При вирощуванні ріпаку виключно для одержання біопалива (РМЕ) вартість останнього буде вищою в 2,0-2,5 разу в порівнянні з нафтовим дизпаливом. Проте економічна доцільність зростає при використанні усіх продуктів переробки ріпаку: шрот (на корм або продаж), солома (на підстилку тваринам або як пічне паливо), гліцерин (світова вартість гліцерину становить близько 900 дол. США/т), а також отримання олії не менше 1 т/га. Розрахунки показують, що з 3 т насіння ріпаку вологістю 7-8 % можна одержати 1т біодизеля, 1,7 т шроту (вміст олії - 8-12%), 0,2 т гліцерину. Додатковими аргументами щодо рентабельності ріпаку є його властивості як цінного попередника для зернових, фітосанітара, а під час цвітіння як чудового медоноса.

В Україні 75 % орних земель придатні для вирощування ріпаку. Фактично під ріпак щорічно засівають 150 тис. га при середній врожайності 13 ц/га, що забезпечує вихід олії 0,5 т/га, тобто у 2,0-2,5 разу нижче за західноєвропейські показники. Виробляється в Україні близько 12 тис. т/рік ріпакової олії, але як дизпаливо вона поки що не використовується, значна її частина експортується за кордон.