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

7.3.1. Получение метанола из водорослей

В основе этой технологии лежит производство биомассы водорослей, их сбраживание до метана и каталитическая конверсия последнего в метанол.

Основными доводами в пользу использования микроскопических водорослей являются следующие:

• высокая продуктивность фитопланктона (до 100 т/га в год);

• в производстве не используются ни плодородные почвы, ни пресная вода;

• процесс не конкурирует с сельскохозяйственным производством;

• энергоотдача процесса достигает 14 на стадии получения метана и 7 на стадии получения метанола;

С точки зрения получения энергии данная биосистема имеет существенные экономические преимущества по сравнению с другими способами преобразования солнечной энергии.

7.4. Биобутанол [7-23]

Рис. 7-20. Фигурные формулы бутанола

Бутиловый спирт (н-бутанол) C4H9OH – Бесцветная вязковатая жидкость с характерным запахом сивушного масла. Смешивается с органическими растворителями. В отличие от метанола, этанола и пропанола только умеренно растворяется в воде – 7,6 г на 100 г воды. С ней образует азеотроп содержащий 42,5 % по массе бутанола и кипящий при 97,7 °C.

Представитель одноатомных спиртов. Известны нормальный первичный бутиловый спирт СН3(СН2)3ОН и его изомеры: нормальный вторичный бутиловый спирт СН3СН2СН(ОН)СН3, изобутиловый спирт (СН3)2СНСН2ОН, третбутиловый спирт (триметилкарбинол) (СН3)3СОН. Ядовит. [7-23].

Бутанол биологического происхождения является первичным спиртом. Основные преимущества бутанола по сравнению с этанолом:

• бутанол содержит на 25 % больше энергии, чем этанол;

• бутанол безопаснее в использовании, поскольку в шесть раз меньше испаряется, чем этанол, и в 13,5 раз менее летуч, чем бензин;

• бутанол – гораздо менее агрессивное вещество, чем этанол, поэтому может транспортироваться по существующим топливным трубопроводам, тогда как этанол должен транспортироваться железнодорожным или водным транспортом;

• благодаря низкому давлению паров, биобутанол легко смешивается с обычным бензином;

• биобутанол может добавляться в более высоких концентрациях, чем биоэтанол, при использовании в стандартных автомобильных двигателях без их переделки.

В настоящее время биобутанол может добавляться в бензин в концентрации до 10 % в Европе и до 11,5 % в США без переделки двигателя.

Он хорошо подходит для современных транспортных средств и двигателей.

В смеси биобутанол может использоваться в более высоких концентрациях, чем этанол, не требуя при этом специально адаптированных транспортных средств. В будущем имеется потенциал для увеличения максимально допустимого использования биобутанола в бензине до 16 % по объему.

В присутствии воды смесь, содержащая биобутанол, не расслаивается, в отличие от смеси «этанол-бензин», что позволяет использовать существующую инфраструктуру дистрибуции без модификации установок для смешивания, хранилищ или заправок.

Как ожидается, в отличие от существующих биотоплив, биобутанол потенциально может быть транспортирован по трубопроводам, то есть он может быстро добавлен к бензину, и это позволит избежать потребности в дополнительной крупномасштабной инфраструктуре поставки.

Бутанол выделяет чистой энергии на рабочий цикл больше, чем этанол или метанол, и примерно на 10 % больше, чем бензин.

В связи с получением новых высокоэкономичных технологий производства биобутанола, в настоящее время получаемый из зерна бутанол привлекает все большее внимание специалистов для применения его в качестве топлива. И не исключено, что в ближайшие 10–15 лет этанол утратит пальму первенства.

Успех обусловливается рядом преимуществ бутанола перед этанолом, среди них: 1. Бутанол содержит на 25 % больше энергии, чем этанол: 6116.5 kkal/l бутанола против 4670.8 kkal/l этанола. Бензин же содержит около 6394.5 kkal/l; 2. Бутанол безопаснее в использовании, поскольку в шесть раз меньше испаряется, чем этанол и в 13,5 раз менее летуч, чем бензин. Упругость паров бутанола по Рейду составляет 0.023g/cm2, у бензина это 0.316 g/cm2, у этанола – 0.14g/cm2. Это делает бутанол более безопасным при использовании в качестве оксигената и не требует особых изменений пропорций смеси при использовании зимой и летом. Сейчас он используется в качестве оксигената в штатах Аризона, Калифорния и др.; 3. Бутанол – гораздо менее агрессивное вещество, чем этанол, поэтому может транспортироваться по существующим топливным трубопроводам, тогда как этанол должен транспортироваться железнодорожным или водным транспортом; 4. Бутанол можно смешивать с бензином; 5. Бутанол может полностью заменять бензин, тогда как этанол может использоваться только как добавка к бензину с максимальным содержанием в смеси не более 85 % и только после существенных переделок двигателя. В настоящее время в мире преобладают смеси с 10 %-ным содержанием этанола; 6. Производство бутанола помогает решить проблемы, связанные с инфраструктурой снабжения водородом; 7. Измененный бутанол имеет более высокий выход энергии (10 Вт-ч/г), чем этанол (8 Вт-ч/г); 8. При горении бутанол не производит окислов серы или азота, что дает существенную дополнительную выгоду с точки зрения экологии.

Рис. 7-21. Общий вид ацетоно-бутилового завода (г. Нальчик)[7 24].

Бутанол начал производиться в 10-х годах XX века с использованием бактерии Clostridia acetobutylicum. Сырьём для производства являются сахаро- и крахмалосодержащие продукты растениеводства: сахарный тростник, свекла, кукуруза, пшеница, маниока, а в будущем и целлюлоза.

При ацетонобутиловом брожении из 1 т картофеля можно получить 25 м3 водорода, 340 кг бутанола и 110 кг ацетона, то есть с 1 га картофельных плантаций – 875 м3 водорода, 12 т бутанола и 4 т ацетона, а из 1 т стеблей сорго – 30 м3 водорода, 114 кг бутанола и 40 кг ацетона, или с 1 га плантаций сахарного сорго – 900 м3 водорода, 3.4 т бутанола и 1.2 т ацетона.[25]. В СССР до конца 70-х годов XX столетия в эксплуатации находилось 4 ацетонобутиловых завода: в городах Грозном, Нальчике, Талица (Свердловской области) и Ефремов (Тульской области). К концу 90-х годов остались Грозненский и Ефремовский заводы.

Ефремовский завод производил до 50 т растворителей (бутанол/ацетон/ этанол = 13/4/1) и до 29 тыс. м3 водорода в сутки, или 15 тыс. т растворителей и до 8.7 млн. м3 водорода в год, а Грозненский завод – 74 т растворителей и 43 тыс. м3 водорода в сутки, или до 22 тыс. т растворителей и 12.9 млн. м3 водорода в год [7-25]

Однако, сегодняшняя ситуация на рынке углеводородного сырья заставляет многие компании задуматься о восстановлении утраченных технологий.

В 50-х годах из-за падения цен на нефть бутанол начал производиться из нефтепродуктов.

В США ежегодно производится около 1.39 млрд. литров бутанола.

Две крупнейшие транснациональные корпорации мира – DuPont и British Petrole-um (BP) – объявили об успехе своего трехлетнего сотрудничества над проектом создания нового вида биотоплива – биобутанола. Осуществление проекта началось в 2003 году. В результате в конце 2007 года биобутанол начал производиться и продаваться в Великобритании. Производство в Британии будет налажено совместно с British Sugar. Для этого будет перепрофилирована фабрика по ферментации биопродуктов в этанол для производства биобутанола. Биобутанол по своей сути то же самое, что и биоэтанол, но только более калорийный и менее затратный при производстве. К тому же само производство биобутанола с технической точки зрения значительно проще, чем классического этанола. [7-26].

7.4.1. Экологические Преимущества

В настоящее время компании DuPont и BP проводят детальные расчеты для биобутанола по эмиссионным характеристикам в рамках программ GHG Well-to-Wheel/ Life Cycle Analysis. Предварительные данные говорят о том, что при использовании одинакового сырья биобутанол дает уменьшение эмиссии, по меньшей мере, на том же уровне, что и этанол.

Низкое давление паров биобутанола (ниже, чем у бензина) означает то, что характеристики давления паров не должны приводить к появлению высоких уровней эмиссии ЛОС (т. е. нет необходимости ослаблять давление паров).

Преимущества для сельского хозяйства:

• Биобутанол получают из тех же типов сельскохозяйственного сырья, что и биоэтанол (т. е. из кукурузы, пшеницы и сахарной свеклы/тростника).

• Биобутанол может стать хорошим продуктом для фермеров во всем мире, поскольку он создает новые возможности на рынке для основных продуктов сельского хозяйства, что, таким образом может привести к увеличению нормы прибыли для фермеров.

• Облегчая добавление биотоплив к бензину, либо непосредственно в качестве биобутанола, либо косвенно через синергию биобутанола и этанола, использование биобутанола может привести к расширению рынка биотоплив, а также рынков соответствующих сельскохозяйственных продуктов, что таким образом приведет к увеличению нормы прибыли для фермеров.