​«Биотопливо — один из кандидатов на роль технологии будущего»

— Что такое биотопливо?
— Биотопливо — это органические соединения, которые мы можем использовать для получения энергии. Существуют различные виды биотоплива: твердое (древесные пеллеты, щепа и т.д.), газообразное (биогаз, биоводород, синтез-газ) и жидкое. Жидкое биотопливо самое интересное, так как оно может использоваться на двигателях внутреннего сгорания и реактивных двигателях заменяя топливо из нефтепродуктов. Как правило, это особые углеродные молекулы длиной около 14-15 атомов. В живых организмах они встречаются не очень часто, поэтому нам нужно пытаться каким-то образом находить источники таких длинных молекул. Существуют два способа поиска. Первый способ – использовать существующие пути биосинтеза и каким-то образом пытаться их оптимизировать. Другой вариант — это рассчитать на компьютере принципиально новый путь биосинтеза и создать его в организме с использованием средств синтетической биологии.

— Какие проблемы с топливом существуют на данный момент?

— На самом деле, проблем с топливом сейчас очень много. Мы живем в мире нефти, вся наша цивилизация построена на нефти, весь транспорт, реактивная авиация. Без этого топлива мы не сможем жить. И здесь существует большая проблема: нефть является ископаемым ресурсом, а это значит, что в какой-то момент у нас может оказаться недостаточно ее запасов, пригодных для индустриальной коммерческой добычи, нефть останется где-то в глубоких залежах, в каких-то экономически невыгодных условиях и так далее. Мир уже начинает готовиться к этому моменту. Существует два вопроса. Первый: когда наступит этот момент? И второй вопрос: успеем ли мы разработать соответствующие технологии? Биотопливо — это один из кандидатов на роль такой технологии будущего.

— Какие варианты биотоплива были в истории человечества?
— Основное топливо во многих странах — это древесина. Например, в Танзании порядка 70% энергии до сих пор происходит именно от нее. Конечно, развитые страны от этого ушли очень далеко. Древесина — это на самом деле ресурс исчерпаемый, то есть, если мы будем вырубать деревья слишком быстро, то у нас, естественно, энергия закончится. Такой кризис был в Англии в XVI-XVII веках. У них были огромные леса. Существовала даже пословица, в которой говорилось, что в Англии белка способна пересечь всю страну, не спрыгнув на землю. Но для того, чтобы выплавлять сталь, нужно было тратить древесный уголь. В то время на 1 килограмм стали необходимо было 50 килограмм угля. А чтобы получить древесный уголь, нужно было собрать много древесины и обжечь ее. Таким образом, англичане вырубили практически все экономически рентабельные леса. Примерно в начале XVII века из-за этого в Англии резко упала выплавка железа. Они стали импортировать железо из Швеции и России. Это происходило до тех пор, пока они не открыли следующий источник энергии — каменный уголь. Тогда индустриальная машина английской промышленной революции заработала снова. Сейчас может сложиться похожая ситуация. У Англии были огромные запасы угля, и в свое время они посчитали, что его хватит на три тысячи лет, разделив количество запасов на ежегодную добычу. Но в 1860 году Джевонс написал книгу «Вопрос об угле в Англии», где рассказал о том, что потребление угля увеличивается на 3% в год, и к концу XX века уголь в Англии закончится. Он был абсолютно прав. Сейчас в Англии только 6 крупных шахт, а при Джевонсе было 3 тысячи.

— Что появилось после древесины?
— После древесины появилось масло. Рудольф Дизель в конце 19 века использовал на своем двигателе растительное масло, и он работал. Сейчас проблема состоит в том, что для обеспечения нашего общества автомобильным топливом, у нас недостаточно места, где мы могли бы выращивать культуры, из которых производится растительное масло. Кроме того, если мы начнем сажать пальмы, сою или рапс для того, чтобы производить топливо, нам будет не хватать земли для производства продуктов питания.

Сейчас существует очень серьезная проблема: продукты против топлива. Таким образом, первое поколение биотоплива, произведенное из тех продуктов, которые могут использоваться для производства продуктов питания — это тупиковый путь развития. Ставится задача производить биотопливо таким способом, чтобы оно ни в коем случае не вступало в конкуренцию с производством продуктов питания. Это уже биотопливо второго поколения. Из соломы, различных отходов сельского хозяйства, древесины можно получать те же виды биотоплива, что и из пищевых культур.

— Насколько первое и второе поколения биотоплива эффективны и жизнеспособны?
— Есть два основных вида биотоплива первого и второго поколения: этанол и биодизель получаемый из растительных масел. В США много кукурузы, а в Бразилии — сахарного тростника, поэтому там очень удобно получать спирт. Его можно добавлять в определенной концентрации в бензин. Сейчас производится множество автомобилей, которые способны ездить на таком бензине, на «зеленом» бензине с добавкой этанола. В США, Бразилии и Европе производство биотоплива первого поколения используется фактически для дополнительного стимулирования сельского хозяйства и снижения зависимости от нефти. Первое и второе поколение биотоплива— это попытка задействовать существующие мощности. Потому что строить с нуля индустрию в капиталистическом мире очень сложно и дорого. Гораздо лучше задействовать существующие технологии получения спирта и растительных масел. Первое и второе поколение используют эти технологии. А вот третье поколение биотоплива — это совершенно новая вещь. В основе процесса получения биотоплива лежат фотосинтетические микроводоросли. Они используют энергию света для того, чтобы поглотить углекислоту из воздуха для производства органических соединений. Микроводоросли очень маленькие — 1, 2, 3, 10 микрометров в диаметре, и способны производить очень большое количество жиров внутри клетки — липидов. Эти липиды обладают длинной углеродной цепочкой.

Их можно выделить и переработать в биотопливо. Плюсы в том, что этим микроводорослям не нужно выращивать корневую систему, листья и так далее, то есть это просто клетки с липидами внутри. Они очень быстро растут, их можно достаточно технологично собирать. И сейчас это, конечно, очень интересное направление.

— Как выглядит процесс получения биотоплива третьего поколения?
— Для начала нужно вырастить микроводоросли. Затем эту биомассу нужно собрать. Ее можно просто взять как есть, засунуть в установку и поднять температуру давление. Произойдет гидрокрекинг и выделится фракция бионефти. Ее мы можем почистить на обычных нефтеперегонных установках. Существует и другой вариант. Мы можем выделить какую-то фракцию из биомассы микроводорослей и переделать ее в биотопливо химически. Итаких технологий очень много. Если сравнивать с обычными сельскохозяйственными культурами, из микроводорослей можно получить на порядок больше биотоплива. Это происходит из-за того, что, во-первых, им не нужно синтезировать корни, ветки, листья, они представляют собой маленькие клетки. Во-вторых, они очень быстро растут. Сельскохозяйственная культура растет в течение длинного сезона. А для того, чтобы вырастить микроводоросли, нужна пара недель.

— Что представляет собой лаборатория по производству биотоплива из микроорганизмов?
— Основа такой лаборатории это большая установка под названием «фотобиореактор». Они могут быть как открытыми, так и закрытыми. Открытые фотобиореакторы — это пруды, заполненные водой темно-зеленого цвета, закрытые — это целлофановые мешки или пластиковые трубы, внутри которых растут микроводоросли. Когда они вырастают, их собирают, разрушают, выделяют нужную фракцию, и потом уже эту фракцию химически перерабатывают. Есть еще и четвертое поколение биотоплива. Это технология, при которой используются фотосинтезирующие цианобактерии, которые напрямую производят конечный продукт из СО2. Такой способ очень сильно повышает производительность системы.

Представьте себе клетку, которая осуществляет фотосинтез. Она поглотила молекулу углекислого газа из воздуха, превратила ее в органическое соединение, а затем туда, в эту клетку, добавили, например, два гена. Ферменты, которые кодируются этими генами, переработали эти органические соединения в этанол, спирт вышел из клетки наружу. После этого мы можем сделать систему, в которой поверхность воды в фотобиореакторе будет нагреваться солнечным светом, и с нее будет испаряться спирт. Затем можно конденсировать спирт и собирать его. Это очень интересная разработка, она позволяет избежать всех промежуточных этапов сбора и переработки биомассы, сейчас в США она находится на ранней промышленной стадии. В России, конечно, тоже существует много технологий, в том числе основанных на еще советских разработках. Но нас тормозит то, что в России пока не создан рынок биотоплива. Например, если мы произведем этанол, с него будут брать акцизы, в то время как технически возможно сразу на заводе добавлять этанол в бензин и получать биотопливо. Сейчас идет обсуждение возможности добавления 5% спирта в бензин. Экономический эффект от этого тоже был бы положительный. В России есть огромные территории, где занимаются сельским хозяйством, но экономически рентабельно вывозить зерно на экспорт достаточно сложно. Ведь у нас пока что не очень большой внутренний рынок по сравнению с площадями доступными для развития сельского хозяйства. Можно конечно использовать зерно в качестве корма для скота, но, к сожалению, у нас еще недостаточно развито животноводство. Поэтому производство биотоплива или биопластиков может стать весьма перспективным направлением развития сельского хозяйства. Сейчас рынок биопластиков растет со скорость около 20% в год. Это очень перспективная тема.

— Какие еще есть виды биотоплива?
— Сейчас в разработке находится пятое поколение. Это электробиосинтез — использование электричества для синтеза биотоплива. Существуют микробы, которые способны потреблять электроэнергию с электрода, погруженного в раствор. Потенциально они обладают очень высоким КПД. Например, КПД солнечной батареи, которую можно купить в супермаркете составляет порядка 10-15%. Некоторые микроорганизмы способны направлять до 80% электронов полученных с электрода на синтез органических соединений. Если мы сосчитаем 80% от 10-15%, то получится, что порядка 8-12% энергии солнечного света используется для синтеза органических соединений. Казалось бы, не очень много. Но если сравнивать с обычным фотосинтезом, на котором существует вся биосфера, то он обладает эффективностью около 1% конверсии.

— Какие преимущества есть у этого поколения биотоплива?
— Во-первых, это возобновляемый ресурс. То есть его можно использовать очень долго, не обращая внимания на то, что у нас заканчивается нефть или что-то еще происходит. Во-вторых, если мы действительно придумаем такие технологии, которые не будут занимать площади для сельского хозяйства и тратить пресную воду, то тогда мы сможем увеличить производство и продуктов питания и биотоплива. Более того, с помощью таких технологий можно получать биополимеры, пищевые добавки и т.д. Даже еду на определенном этапе развития технологии можно было бы синтезировать таким образом. Сейчас растет количество населения. Нас сейчас около семи миллиардов. Через 35 лет нас будет уже более девяти миллиардов, это на 35% больше. А вот еды, по прогнозам, человечество будет потреблять на 100% больше. Свободной земли приемлемого качества для того, чтобы увеличить в два раза производство питания, у нас к сожалению нет, поэтому нужна глобальная интенсификация производства продуктов питания.

— Какие основные проблемы существуют в развитии этого направления?
— На мой взгляд, главное — это создание рынка. Когда создается рынок, сразу привлекается частная инициатива, а это мощнейший драйвер для развития данной отрасли. Мне кажется, основные задачи на данный момент — это грамотная государственная экономическая политика по созданию рынка биотоплива и биополимеров, а также стимулирование научных исследований в этой области.

Материал подготовлен на основе радиопередачи «ПостНаука» на радио Говорит Москва, которая звучит на частоте 94.8 FM каждое воскресенье в 19.00.

Автор статьи: Ивар Максутов, главный редактор, сооснователь Редакционно-издательского дома «ПостНаука», религиовед
Зоригто Намсараев кандидат биологических наук, научный сотрудник лаборатории экологии и геохимической деятельности микроорганизмов Института микробиологии им. С. Н. Виноградского РАН, начальник Лаборатории электробиосинтеза Отделения биотехнологии и биоэнергетики Курчатовского комплекса НБИКС-технологий, НИЦ «Курчатовский институт»
Источник: ПостНаука

Что такое биотопливо, виды биотоплива.

Биотопливо изготавливается из растительного или животного сырья, а также из органических отходов промышленности и отходов жизнедеятельности.

Виды биотоплива:

• Газообразное: водород, биогаз, синтез-газ.
• Твердое: брикеты, гранулы, пеллеты, щепа и т.д.
• Жидкое: метанол, этанол, биодизель. Такой вид биологического топлива используется в двигателях внутреннего сгорания.

Поколения растительного сырья для биотоплива:

• Первое поколение. Традиционное сырье с высоким содержанием жира и крахмала. При сгорании такое сырье выделяет большое количество энергии. Но неудобства его использования довольно весомы: истощение почв и подорожание продуктов питания.
• Второе поколение. Древесина, трава, несъедобные части сельскохозяйственных растений. Главная ценность такого сырья – высокое содержание лингина и целлюлозы. Сырье второго поколения можно либо использовать сразу, либо перерабатывать в газ. Недостатки – необходимость использования больших территорий.
• Третье поколение. Водоросли. Преимущества – отсутствие необходимости использовать земельные ресурсы для выращивания, быстрое воспроизведение ресурсов.

Твердое биотопливо – это дрова, щепа, топливные гранулы, пеллеты. Широко применяются отходы деревообрабатывающих производств.

Газообразное топливо добывают методом термического разложения сырья с присутствием кислорода или без него, а также методом сбраживания.

Самый древний вид биотоплива – это обыкновенные дрова. Они широко применяются и в настоящее время. В РФ для промышленной заготовки дров используются в основном деревья, не подходящие для других целей. В мире практикуется специальное выращивание лесов для дровяных заготовок.

Брикеты и гранулы – это спресованные измельченные отходы деревообрабатывающей промышленности, соломы, различных отходов сельского хозяйства, других видов биомассы.

Пеллеты – это прессованные гранулы длиной 5-40 мм и диаметром 6-8 мм.

Бутиловый спирт (бутанол) широко применяется в промышленности. Он производится путем переработки биомассы с помощью специальных бактерий. В США каждый год производят бутанола на 1,4 миллиарда долларов.

что это такое, отзывы, фото

Александр Богданов

25.07.2019

Международная исследовательская команда из Левенского (Бельгия) и Утрехтского университетов (Нидерланды) разработала новый способ производства, который позволяет получать более экологически чистое дизельное топливо. Ученые говорят, технология может быть легко масштабирована до промышленных объемов в течение следующего десятилетия. Другими словами, скоро на таком топливе смогут ездить все дизельные автомобили.

Читать далее

Николай Хижняк

05.03.2019

Текущие методы производства биотоплива в больших объемах экономически невыгодны. На производство тратится слишком много энергии. Поэтому эксперты в этой сфере давно ищут более эффективные и менее затратные способы производства. Специалисты из Университета Юты (США) считают, что изобретенным ими новый метод поможет решить этот вопрос. Для производства большого объема биотоплива они предлагают использовать специально созданную струйную мешалку. Кратко об их изобретении пишет Sciencedaily.com, более подробное описание работы описано в статье журнала Chemical Engineering Science X.

Читать далее

Александр Богданов

22.01.2019,

обновлено 31.01.2019

Биотопливо — это топливо, изготавливаемое из растительного или животного сырья, органических отходов и продуктов жизнедеятельности организмов. В перечень продуктов биотоплива входит как привычное для нас, вроде дров и соломы, и новоизобретенное, вроде синтез-газа и биодизеля. В последние годы ученые всего мира пытаются найти способы разработки дешевого способа производства низкоуглеродного топлива, которое в перспективе может заменить продукты нефтепереработки. Причем основные шаги в данном направлении предпринимает авиационная отрасль.

Читать далее

Николай Хижняк

22.01.2019

Авиакомпания Etihad Airways из ОАЭ осуществила первый полноценный коммерческий рейс авиалайнера Boeing 787 Dreamliner с использованием биотоплива на основе солероса (растения из прибрежной морской полосы с высокой концентрацией соли в почве). Самолет был оснащен двигателями нового поколения General Electric 1B, работавшими на гибридной смеси из обычного керосина и биотоплива из солероса в соотношении 50 на 50, сообщает Gulf News.

Читать далее

Владимир Кузнецов

04.12.2018,

обновлено 23.04.2020

В последние годы ученые всего мира пытаются найти способы разработки дешевого способа производства низкоуглеродного топлива, которое в перспективе может заменить продукты нефтепереработки. И, вполне возможно, что в этом случае, как часто это бывает, на помощь человеку придет сама природа. Ведь, как сообщает издание Nature Communications, группа исследователей из Йоркского Университета совместно со своими коллегами нашла в кишечнике морских беспозвоночных белок, который может перерабатывать древесину в низкоуглеродное биотопливо.

Читать далее

Владимир Кузнецов

02.10.2018

Утилизация пищевых отходов, пожалуй, является одной из важнейших проблем, касающихся экологии. И если с выбросом веществ в результате сгорания или с бензиновыми двигателями в теории можно что-то сделать, кардинально отказавшись от них в пользу экологически чистых источников энергии, то вот отказаться от пищи не выйдет при всем желании. И группа исследователей из канадского университета Торонто разработала весьма интересный способ, благодаря которому пищевые отходы можно превратить в биоразлагаемый пластик для 3D-печати. А спектр применения такого пластика поистине огромен: от детских игрушек до медицинских приборов.

Читать далее

Вячеслав Ларионов

01.02.2018

Авиаперевозчик Qantas сообщил, что принадлежащий компании самолёт совершил межконтинентальный перелёт из США в Австралию на топливе, частично состоящем из горчицы. Для полёта использовалось смешанное топливо, на 90 процентов состоящее из обычного авиационного керосина, а оставшиеся десять процентов составило обычное горчичное масло, которое производится из семян сарептской горчицы и применяется при изготовлении консервов и кондитерских изделий.

Читать далее

Владимир Кузнецов

23.11.2017

Высокое содержание углекислого газа в атмосфере, по мнению ученых, является основной причиной возникновения парникового эффекта, а частицы золы могут содержать тяжелые металлы, токсины и канцерогенные микроэлементы. Поэтому вопрос утилизации отходов стоит особенно остро. И значительно преуспели в этом ученые из Национального исследовательского Томского политехнического университета (ТПУ). Они предложили использовать отходы производства для создания нового топлива.

Читать далее

Вячеслав Ларионов

21.05.2017

Специалисты биоэнергетической компании Euglena объединили усилия ещё с пятью партнёрами, чтобы к 2019 году построить и запустить в тестовом режиме первый завод биотоплива. Если всё пойдёт отлично, то уже через год Euglena собирается начать поставки нового топлива для автомобилей и самолётов.

Читать далее

Николай Хижняк

07.11.2016

Ученые сообщили, что создали метод переработки канализационных отходов в биоразлагаемый нефтесырьевой продукт. Другими словами, если с электромобилями у нас в конечном счете ничего не получится, а нефть в естественной среде все-таки закончится, то наше будущее в прямом смысле этого слова окажется в дерьме.

Читать далее

Что такое биотопливо? | Телеканал «Санкт-Петербург»

В гостях у программы «Хорошее утро» Мария Тойкка, доцент кафедры химической термодинамики и кинетики СПбГУ, кандидат химических наук.

Виды топлива отличает его агрегатное состояние: жидкое, твёрдое, газообразное. Биотопливо получают из растительного сырья. Например, в Бразилии большая часть автомобилей ездит на биоэтоноле – это всем известный этиловый спирт. Биодизельное топливо, которое уже и у нас используется – это сложные эфиры жирных кислот. Их получают из масла: рапсового, растительного.  

Насколько производство различных видов биотоплива дешевле, проще и меньше вредит экологии по сравнению с производством нефтяного топлива?

Если бы производство биотоплива было дешевле, чем получение бензина, то мы давно бы уже ездили на нём. Но на сегодняшний день оно не дешевле. Чтобы произвести один литр биотоплива, надо потратить больше энергии, чем оно потом даст. Конечно, есть такие альтернативы, как водородное топливо. В Калифорнии многие машины ездят на нём. При сгорании бензина получается углекислый газ, который уходит в атмосферу. Мы нарушаем естественный баланс, возникает парниковый эффект, для землян ничего хорошего. Вот в этом биотопливо, конечно, выигрывает.

Когда человечество сможет уменьшить использование бензина и полностью перейти на биотопливо, чтобы спасти экологию своей планеты?

Конечно, в будущем это обязательно произойдёт. Но не раньше, чем через сто или двести лет. 

Наверняка учёные Петербурга тоже работают над созданием биотоплива. Какие успехи у них есть на этом поприще?

Мы работаем, у нас сейчас есть два проекта, руководителем которых я являюсь. Проект гранта Российского научного фонда и гранта Российского фонда фундаментальных исследований. Мы работаем над модельными системами, которые содержат и спирты, и эфиры. Успехи, безусловно, есть.

Биотопливо должно быть эффективным — Энергетика и промышленность России — № 07 (171) апрель 2011 года — WWW.EPRUSSIA.RU

Газета «Энергетика и промышленность России» | № 07 (171) апрель 2011 года

Приоритет биологическому топливу отдан не случайно. Во-первых, биологическое топливо – это тоже смесь горючих углеводородов. Во-вторых, в составе биотоплива отсутствуют многие экологически вредные элементы, содержащиеся в традиционном нефтяном горючем. В-третьих, биотопливо содержит большее количество кислорода, чем ископаемые горючие. В-четвертых, практически каждая страна обладает сырьем для получения этого вида горючего и имеет возможность его производства. И наконец, главное: сырье для производства биотоплива возобновляемо.

Что же такое биотопливо

Биологическим топливом является горючее животного или растительного происхождения. Как и традиционное углеводородное горючее, биотопливо бывает жидким, газообразным и твердым.

В последнее десятилетие за рубежом наибольший практический интерес проявляется к жидкому биологическому топливу, производимому из биомассы, семян и плодов пищевых и технических масличных культур, а также отходов пищевых масел. Широкое применение это горючее получило в странах Европейского союза (ЕС), на Украине, в Белоруссии, в Северной и Латинской Америке. Используется оно в основном в дизелях и котельных установках. В карбюраторных двигателях по ряду причин биотопливо пока не нашло широкого применения.

Необходимо отметить, что некоторые специалисты относят к биологическому топливу и топливные смеси нефтяных углеводородов и горючих жидкостей, например спиртов и эфиров, произведенных из растительного и животного сырья, что вовсе недопустимо. Эти смеси составляют отдельный вид топлив, в которых биологические углеводороды являются всего лишь присадкой к традиционному нефтяному топливу или компонентом топливной смеси, условия хранения, технологический цикл подготовки, а также процесс горения (реакция окисления) которых имеют принципиальные отличия. Незнание этого зачастую приводит к негативным последствиям с пожарами, поломкой техники и гибелью людей.

К биологическому горючему следует относить только топливо растительного или животного происхождения и топливные смеси на их основе. Топливные же смеси на основе нефтепродуктов и биологических присадок, вводимых, например, с целью повышения экологической чистоты, никакого отношения к биогорючим не имеют, а являются нефтяными топливами с присадками. К таким топливным смесям в настоящее время следует относить биобензин, биодизель, биомазут и бионефть.

Таким образом, необходимо различать традиционные нефтяные и биологические топлива, а также топливные смеси и биологические присадки.

Что еще надо знать о биотопливе

Биологическое топливо, наряду с очевидными преимуществами, обладает и целым рядом недостатков, присущих всем углеводородным горючим. Эти недостатки необходимо не только знать, но и учитывать при хранении и использовании данного вида топлива.

Так, биотопливо имеет в своем составе поверхностно-активные вещества, хорошо впитывающие воду, которая, как известно, наряду с другими негорючими химическими веществами и соединениями представляет собой негорючий балласт, снижающий теплотворную способность топлива. Кроме того, составляющие биотопливо углеводороды имеют разную молекулярную структуру и размеры, неодинаковое строение молекул, различные типы углеводородных соединений, что при применении для биотоплива традиционной технологии подготовки горючего к сжиганию не позволяет добиться получения однородной по структуре, гомогенной горючей смеси с оптимальным соотношением компонентов по всему объему горения. В связи с этим, несмотря на большее по сравнению с нефтяными углеводородами содержание в биотопливе кислорода, при его сжигании вынуждены завышать коэффициент избытка воздуха, однако и при этом процесс горения биотоплива может сопровождаться интенсивным образованием оксидов азота (NO_X), выделением сажи (С) и появлением копоти.

Использование биологического топлива, как показывает опыт эксплуатации топливосжигающих энергоустановок, напрямую зависит от температуры наружного воздуха. Так, уже при температурах ниже +10°С по причине низкого давления насыщенных паров и высокой теплоты испарения запуск карбюраторных двигателей при использовании в них спиртов становится практически невозможным. Запуск и работа дизелей на биотопливе, произведенном из маслянистых сельскохозяйственных культур, при небольших температурах наружного воздуха также невозможны из‑за значительного снижения текучести топлива. Наиболее приспособленными к обработке биологического горючего и подготовке его к сжиганию оказались топливные системы котлов с механическими и паро-механическими форсунками.

Наряду с теплотворной способностью немаловажными свойствами любого топлива являются стабильность и коррозионная активность. Стабильность топлива – это его способность заданное время сохранять свои физическое состояние и физико-химические свойства в различных условиях хранения и транспортировки. Для повышения стабильности топлива в его состав вынуждены вводить специальные дорогостоящие присадки, что, в конечном итоге, значительно увеличивает стоимость горючего. К сожалению, многие виды биологического топлива и топливные смеси на их основе обладают низкой стабильностью (несколько часов), что также ограничивает область их практического применения.

Коррозионная активность топлива определяется наличием в его составе химически активных элементов, соединений и веществ, в частности органических кислот, воды и кислорода, способных к химическим реакциям с конструкционными материалами, применяемыми в элементах топливной системы и узлах топливосжигающей установки. Биотопливо, как правило, имеет кислотную основу и повышенное содержание кислорода, а следовательно, по сравнению с нефтяными углеводородами обладает более высокой коррозионной активностью. Сегодня известны случаи разрушения защитной оксидной пленки на поршнях и втулках цилиндров дизелей при использовании в них биотоплива.

В настоящее время бытует ошибочное мнение, что биологическое топливо более экологически безвредно для окружающей среды, чем нефтяные виды горючего. Но приставка «био» еще не означает, что биотопливо абсолютно экологически чистое горючее. Экологичность биотоплива, как и любого другого вида углеводородного топлива, проявляется в процессе его использования по прямому назначению, то есть непосредственно при сжигании, при этом уровень экологической чистоты горючего зависит в большей степени от качества организации процессов его подготовки и сжигания, нежели от вида топлива.

Одна из проблем работы с биотопливом заключается в отсутствии единых требований к качеству данного вида горючего, что затрудняет его широкое использование. Препятствием широкого внедрения биотоплива служит и низкая энергетическая ценность исходного сырья для его производства. Так, для получения 1 литра жидкого биотоплива требуется более 25 килограммов кукурузы, а из одной тонны рапсы можно произвести всего лишь около 60‑70 литров рапсового масла. Это значит, что для производства больших (необходимых для потребления) объемов биотоплива требуется переработка огромного количества сырья, а следовательно, и значительные посевные площади для его воспроизводства.

В поисках стандартов

Не секрет, что каждый завод-изготовитель рекомендует использовать в произведенных им топливосжигающих установках углеводородное топливо или диапазон топлив, соответствующих определенным техническим требованиям. Эти рекомендации являются обязательными, поскольку вызваны рядом объективных причин. Во-первых, для каждого типа топливосжигающей установки можно применять определенный вид углеводородного топлива, поскольку универсального топлива для всех установок не существует. Во-вторых, в основу теплового расчета любой топливосжигающей установки положено значение теплотворной способности планируемого к использованию топлива. В-третьих, конструкционные материалы для изготовления элементов той или иной топливосжигающей установки выбираются исходя из коррозионной активности предполагаемого к использованию топлива и продуктов его сгорания. И наконец, эксплуатация любой топливосжигающей установки становится невозможной без высокой стабильности топлива, то есть без сохранения в течение заданного времени его качественных и количественных показателей.

Практическое использование биологического топлива выдвинуло целый спектр ранее неизвестных эксплуатационных проблем, связанных, прежде всего, с его физико-химическими свойствами и недостаточным знанием о них.

Таким образом, использование биотоплива в существующих топливосжигающих установках вызывает необходимость решения ряда сложных эксплуатационных проблем, без чего полноценная замена нефтяных горючих биологическим топливом становится невозможной.

Как сжигать биотопливо

Эффективность использования биотоплива может быть достигнута созданием топливосжигающих установок, рассчитанных на использование конкретного вида биотоплива, например спиртов, эфиров, рапсового, пальмового масла и т. п., или, другими словами, созданием принципиально новых топливосжигающих установок. Однако это требует значительного времени и больших затрат.

Другой вариант – оборудование существующих топливосжигающих установок несколькими топливными системами (так называемыми политопливными системами), способными обрабатывать и подавать на совместное или раздельное сжигание каждый отдельный вид биотоплива, например системой рапсового масла, системой метилового спирта и т. д. Аналоги подобных систем уже существуют. Политопливные системы давно применяются на отдельных крупных ТЭЦ (например, в Великобритании для обработки и подачи на сжигание традиционных видов углеводородного топлива). Хотя этот метод тоже не дешев.

Наконец, на топливосжигающих установках возможно внедрение одной многофункциональной топливной системы для обработки и подачи на сжигание всех видов биологического горючего. Аналог подобной системы уже разработан и проверен авторами в реальных условиях эксплуатации на котле.

Эффективность сжигания биотоплива можно повысить

Известно, что эффективность процесса сжигания любого вида углеводородного топлива, включая и биологическое, определяется, главным образом, качественными и количественными характеристиками приготавливаемой горючей смеси, отражающими однородность топливной структуры, дисперсность углеводородных молекул, равномерность смешения топлива и воздуха, гомогенность подаваемой на горение смеси, оптимальную концентрацию участвующих в реакции горения компонентов и др. Эти характеристики, в свою очередь, зависят от способа подготовки и схемы подачи горючего и окислителя в зону горения. Исходя из сказанного, одним из реальных направлений повышения эффективности сжигания биологического топлива является совершенствование процесса приготовления горючей смеси и внедрение новых схем ее подачи в зону горения.

Более эффективное сжигание углеводородов животного и растительного происхождения может быть достигнуто, например, при помощи струйного насоса-распылителя, использование которого позволяет не только устранить недостатки применяемой сегодня раздельной схемы подачи топлива и воздуха, но и отвести позитивную роль имеющейся в составе горючего воде. Насос-распылитель одновременно выполняет функции всасывания, смесителя, дозатора, диспергатора и распылителя, он реализует совместную схему подачи топлива и воздуха, при которой смешение горючего и окислителя происходит до зоны горения, а не в ней. В приемной камере насоса-распылителя молекулы биологического топлива подвергаются деструкции (расщеплению), образуя однородные молекулы меньшей массы и углеводородные радикалы, которые, активно соединяясь с водяными молекулами (при их наличии) и молекулярным кислородом, образуют мелкодисперсную, однородную насыщенную кислородом топливную смесь с заданным соотношением компонентов.

Струйный насос-распылитель прошел комплексные испытания и опытную эксплуатацию, в том числе и на сырой нефти, свойства и отдельные физико-химические показатели которой очень близки аналогичным свойствам и показателям большинства углеводородных смесей животного и растительного происхождения.

Опыт практического применения насоса-распылителя в реальных условиях показал его работоспособность, многофункциональность и универсальность, что дает основание говорить о возможности его адаптации к работе с различными видами биологического топлива.

Как практически заменить дизтопливо биогорючим

Сжигать жидкое биотопливо в существующих топливосжигающих установках, как указано ранее, целесообразнее в составе топливных смесей, в связи с чем возникает необходимость подбора их компонентов и расчета количественного соотношения., а также определения вязкости и плотности смеси.

Для примера определим содержание компонентов биологического топлива из смеси рапсового масла и метилового спирта, которое предполагается использовать в дизеле вместо дизельного топлива (ГОСТ 4749‑84).

Основным энергетическим показателем любого топлива является его теплотворная способность, поэтому в первую очередь рассчитывается содержание компонентов для обеспечения требуемой теплоты сгорания биосмеси.

Теплота сгорания дизельного топлива составляет около 41310 кДж/кг (ГОСТ 4749‑84), рапсового масла – 43930 кДж/кг (ГОСТ 8988‑2002), а метилового спирта – 27000 кДж/кг. Для получения биосмеси заданной калорийности (41310 кДж/кг) оптимальное содержание в ней рапсового масла должно составлять 84,5 процента, а метилового спирта соответственно – 15,5 процента.

Затем определяется температура вспышки биосмеси оптимального состава. С учетом температур вспышки рапсового масла, равной +138˚С (ГОСТ 8988‑2002), и метилового спирта – +17˚С температура вспышки биосмеси с оптимальным соотношением компонентов составит около +119˚С, что несколько больше температуры вспышки (+35˚С – +90˚С) дизельного топлива, соответствующего ГОСТу 4749‑84.

Далее вычисляются вязкость и плотность смеси указанного состава при температуре +20˚С.

При указанной температуре плотность биологической смеси составляет около 844 кг/м³, а вязкость – 5,54 сСт.

Сравнение вязкости (2,8‑8,0 сСт) и плотности (830‑860 кг/м³) дизельного топлива с аналогичными значениями показателей.биосмеси показывает, что, несмотря на превышение температуры вспышки, биотопливо такого состава способно заменить дизельное топливо (ГОСТ 4749‑84), поскольку температура вспышки характеризует способность топлива к самовоспламенению при хранении в топливных емкостях.

Смешение компонентов и поддержание заданных свойств биосмеси могут быть достигнуты при помощи, например, реализации в технологическом цикле топливоподготовки процессов динамического хранения и струйно-кавитационной обработки смеси.

Аналогичным образом можно рассчитать содержание горючих смесей для котельных и газотурбинных установок.

Таким образом, к приготовлению того или иного вида биотоплива необходимо подходить не только с учетом его физико-химических свойств, но и конструктивных особенностей и технических характеристик как конкретной топливосжигающей установки, так и ее топливной системы.

Что такое биотопливо и как его изготовить

Вы наверняка слышали про него, но с 90% долей вероятности не знаете, из чего его изготавливают и как именно. Так, по сути, биотопливо – альтернатива обычному топливу, которая создается путем переработки биологически чистых отходов или такого же сырья.

Различают лишь 3 основных вида биологически чистого топлива:

1. Газообразное;
2. Жидкое;
3. Твердое.

Производить биотопливо можно из самых разнообразных природных продуктов: кукурузы, соломы, навоза и т.д. Рассмотрим подробнее все 3 разновидности.

Газообразное

Этот вариант представляет собой:

• Метан;
• Биогаз;
• Биоводород.

Эти разновидности можно получить путем брожения определенной биомассы. Чтобы добыть, к примеру, биогаз, необходимо подвергнуть биомассу воздействию специальных бактерий – метаногенов, которые вызывают разложение.

Причем, использоваться может практически любая биомасса, которая содержит в себе углекислый газ и метан.

Жидкое

Такое топливо чаще всего применяется для автотранспорта. К этой разновидности относятся:

• Биометанол;
• Биодизель;

Биоэтанол – уступает бензину по энергоплотности, но считается его лучшей альтернативой. Биобутанол – представляет собой прозрачную жидкость.

Эфир диметиловый – производится из угля, биомассы или природного газа.

Кроме всего вышеописанного существует еще и биотопливо второго поколения, которое изготавливается методов пиролиза биомассы.

Вкратце рассмотрим некоторые типы жидкого топлива.

Дизельное

Биодизель изготавливается из растительных масел. Чтобы получить такое биотопливо, необходимо уменьшить вязкость растительного масла, чего добиваются при помощи спирта. Вязкость маслу придает глицерин, и чтобы его вывести, необходимо запустить процесс трансэтерификации.

«На выходе» получается максимально чистое дизельное биотопливо. По цвету эта жидкость напоминает мед, и в ней не содержится никаких примесей. Если жидкость мутная, из нее нужно удалить примеси путем нагревания. Храниться дизельное биотопливо может не более 90 дней.

Соломенное

Нидерландский вариант жидкого биотоплива для автомобилей. Добывается путем нагрева соломы до определенной температуры с дальнейшим добавлением в нее специальных ферментов. В результате образовывается сахар, который можно преобразовать в этанол, используемый в качестве топлива.

Соломенное биотопливо самое экономичное. Согласно исследованиям ученых, после переработки 10 тонн соломы можно получить топлива, которого хватит минимум на 2 года. Кроме того, в процессе горения солома выделяет много энергии, которую также можно использовать в каких-либо целях.

Твердое

Это биотопливо как альтернативный источник энергии знакомо абсолютно всем, ведь в первую очередь к нему относятся дрова. Но, сегодня есть более эффективные, дешевые и легкие в изготовлении гранулированные пеллеты.

Их можно использовать буквально везде – для приготовления пищи, обогрева помещения любой площади, некоторых специальных транспортных средств и т.д. Основное преимущество пеллет – их можно изготовить буквально из любого природного вещества:

• Древесной коры;
• Соломы;
• Древесных опилок;
• Деревянных щепок;
• Подсолнечной лузги;
• Навоза;
• Ореховой скорлупы;
• И т.д.

Все вышеописанные вещества предварительно прессуются и принимают форму продолговатых цилиндров, имеющих длину в 1-3 см. и диаметр 0,6-1 см. Аграрные отходы, используемые в пеллетах, чаще всего применяются для обогрева помещений.

Примечательно, что при производстве таких пеллет сохраняется лес, чего не скажешь, например, об угле. Также, при горении этого биотоплива не выделяются какие-либо вредные вещества, который способны негативно сказаться на здоровье человека и окружающей среде.

Биотопливо и биодизель

В последние годы в мире становится все более популярным биотопливо (биодизель),- вид топлива, получаемый из возобновляемых ресурсов, с экологически чистыми продуктами сгорания. Согласно ГОСТ Р 52808-2007: «Нетрадиционные технологии. Энергетика биоотходов. Термины и определения», биотопливо — это твердое, жидкое или газообразное топливо, получаемое из биомассы термохимическим или биологическим способом.

Жидкое биотопливо — перспективный класс топлив, основное применение которого — двигатели. Жидкое, или как его еще называют, моторное биотопливо получают в ходе переработки растительного сырья (кукурузы, рапса, сахарной свеклы, сахарного тростника), средствами технологий, в основе которых лежит использование естественных биологических процессов (например, брожения). Под жидким биотопливом обычно понимают спирты (метанол, этанол, бутанол), эфиры и биодизель.

Cуществует ряд решений, применяемых для анализа биотоплива на оборудовании Dionex:

Выполняемые ГОСТы, стандарты ASTM и прочие РД

• Определение сульфатов и хлоридов в этаноле методом ионной хроматографии — стандарты ASTM D4806, ASTM Practice D 4057 и ASTM Practice D 4177
• Определение сульфатов и хлоридов в биобутаноле методом ионной хроматографии — ASTM D7328-07, ASTM D 7319-09, а также ГОСТ Р 54277-2010
• Определение катионов в биотопливе методом ионной хроматографии — ASTM D6751 или EN 14214
• Определение содержания галогенов, азота и серы — ASTM D7359-08, а также ASTM D 6809
• Технические нормативы на топливный этанол (Ed75-Ed85) для двигателей с электрозажиганием — ASTM D 5798
• Стандартная методика определения хлоридов и других анионов в охлаждающих жидкостях (антифризах) методом ионной хроматографии — ASTM D 5827
• Стандартная методика определения глицерина в биодизеле методом анионообменной ионной хроматографии — ASTM D 7591
• Стандартная методика определения аммония, щелочных и щелочно-земельных металлов в водороде и других топливных газах методом ионной хроматографии — ASTM D 7550

 

Основы биотоплива | Министерство энергетики

Управление биоэнергетических технологий (BETO) сотрудничает с промышленностью в разработке биотоплива нового поколения, изготовленного из непищевых (целлюлозных и водорослевых) ресурсов. За последнее десятилетие BETO сосредоточилась на целлюлозном этаноле, инвестируя в технологические достижения по всей цепочке поставок. Эти мероприятия успешно подтвердили критические технологии производства целлюлозного этанола. Прошлая работа Управления по целлюлозному этанолу обеспечивает ценный плацдарм для достижений в области углеводородного биотоплива, также известного как «попадающее» топливо, которое может служить заменителем нефти на существующих нефтеперерабатывающих заводах, резервуарах, трубопроводах, насосах, транспортных средствах и небольших двигателях.

Посмотрите видео Energy 101: Биотопливо, чтобы узнать больше.

ЭТАНОЛ

Этанол (Ch4Ch3OH) — это возобновляемое топливо, которое можно производить из различных растительных материалов, известных под общим названием «биомасса». Этанол — это спирт, который используется в качестве смешивающего агента с бензином для повышения октанового числа и сокращения выбросов монооксида углерода и других выбросов, вызывающих смог.

Наиболее распространенная смесь этанола — E10 (10% этанола, 90% бензина). Некоторые автомобили, называемые транспортными средствами с гибким топливом, предназначены для работы на E85 (смесь бензина и этанола, содержащая 51–83% этанола, в зависимости от географии и сезона), альтернативного топлива с гораздо более высоким содержанием этанола, чем обычный бензин.Примерно 97% бензина в Соединенных Штатах содержит некоторое количество этанола.

Большая часть этанола производится из растительных крахмалов и сахаров, но ученые продолжают разрабатывать технологии, которые позволят использовать целлюлозу и гемицеллюлозу, непищевой волокнистый материал, составляющий основную массу растительного вещества. Фактически, в настоящее время в Соединенных Штатах работает несколько промышленных предприятий по переработке целлюлозного этанола.

Обычный метод преобразования биомассы в этанол называется ферментацией.Во время ферментации микроорганизмы (например, бактерии и дрожжи) метаболизируют растительные сахара и производят этанол.

Узнайте больше об этаноле.

БИОДИЗЕЛЬ

Биодизель — это жидкое топливо, производимое из возобновляемых источников, таких как новые и использованные растительные масла и животные жиры, и более экологически чистая замена дизельного топлива на нефтяной основе. Биодизель нетоксичен и поддается биологическому разложению и производится путем смешивания спирта с растительным маслом, животным жиром или переработанным кулинарным жиром.

Как и дизельное топливо, полученное из нефти, биодизель используется в качестве топлива для двигателей с воспламенением от сжатия (дизельных). Биодизельное топливо может быть смешано с нефтяным дизельным топливом в любом процентном соотношении, включая B100 (чистый биодизель) и, наиболее распространенную смесь, B20 (смесь, содержащая 20% биодизеля и 80% нефтяного дизельного топлива).

Узнайте больше о биодизеле.

ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ УГЛЕВОДОРОДНЫЕ ТОПЛИВА

Нефтяные топлива, такие как бензин, дизельное и реактивное топливо, содержат сложную смесь углеводородов (молекул водорода и углерода), которые сжигаются для получения энергии.Углеводороды также можно получать из источников биомассы с помощью различных биологических и термохимических процессов. Возобновляемые углеводородные топлива на основе биомассы почти идентичны топливам на основе нефти, для замены которых они предназначены, поэтому они совместимы с современными двигателями, насосами и другой инфраструктурой.

В настоящее время одно предприятие промышленного масштаба (World Energy в Парамаунте, Калифорния) производит возобновляемое дизельное топливо из отработанных жиров, масел и смазок. Несколько компаний заинтересованы либо в модернизации существующих производственных площадок, либо в строительстве новых объектов для возобновляемого дизельного топлива и реактивных двигателей в США.Узнайте больше о возобновляемом углеводородном топливе.

ПРОЦЕССЫ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ БИОТОПЛИВА

Деконструкция

Производство современного биотоплива (например, целлюлозного этанола и возобновляемого углеводородного топлива) обычно включает многоступенчатый процесс. Во-первых, необходимо разрушить жесткую жесткую структуру стенки растительной клетки, которая включает биологические молекулы целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, тесно связанные друг с другом. Это может быть выполнено одним из двух способов: деконструкция при высокой температуре или деконструкция при низкой температуре.

Высокотемпературная деконструкция
Высокотемпературная деконструкция использует чрезвычайно высокую температуру и давление для разложения твердой биомассы на жидкие или газообразные промежуточные продукты. На этом пути используются три основных пути:

• Пиролиз
• Газификация
• Гидротермальное сжижение.

Во время пиролиза биомасса быстро нагревается до высоких температур (500–700 ° C) в бескислородной среде. Тепло расщепляет биомассу на пары пиролиза, газ и уголь.После удаления полукокса пары охлаждаются и конденсируются в жидкую «био-сырую» нефть.

Процесс газификации немного похож; однако биомасса подвергается воздействию более высокого температурного диапазона (> 700 ° C) с присутствием некоторого количества кислорода для получения синтез-газа (или синтез-газа) — смеси, состоящей в основном из моноксида углерода и водорода.

При работе с влажным сырьем, например с водорослями, предпочтительным термическим процессом является гидротермальное ожижение. В этом процессе используется вода при умеренных температурах (200–350 ° C) и повышенном давлении для преобразования биомассы в жидкую бионефть.

Низкотемпературная деконструкция
Низкотемпературная деконструкция обычно использует биологические катализаторы, называемые ферментами или химическими веществами, для разложения сырья на промежуточные продукты. Во-первых, биомасса проходит этап предварительной обработки, который открывает физическую структуру клеточных стенок растений и водорослей, делая более доступными сахарные полимеры, такие как целлюлоза и гемицеллюлоза. Затем эти полимеры ферментативно или химически расщепляются на простые сахарные строительные блоки в процессе, известном как гидролиз.

Модернизация

После деконструкции промежуточные продукты, такие как сырые биомасла, синтез-газ, сахара и другие химические строительные блоки, должны быть модернизированы для производства готового продукта. Этот этап может включать биологическую или химическую обработку.

Микроорганизмы, такие как бактерии, дрожжи и цианобактерии, могут сбраживать сахар или газообразные промежуточные продукты в топливные смеси и химические вещества. Альтернативно, сахара и другие промежуточные потоки, такие как бионефть и синтез-газ, могут быть обработаны с использованием катализатора для удаления любых нежелательных или реакционноспособных соединений с целью улучшения характеристик хранения и обращения с ними.

Готовые продукты после модернизации могут быть топливом или биопродуктами, готовыми к продаже на коммерческий рынок, или стабилизированными промежуточными продуктами, подходящими для отделки на нефтеперерабатывающем заводе или химическом заводе.

Прочтите «Конверсия биомассы: от исходного сырья к готовой продукции», чтобы узнать больше.

Подскажите, пожалуйста, биотопливо хорошее или вредное для окружающей среды?

Немногие экологические темы сбивают с толку так, как биотопливо. Мы все понимаем, что такие вещи, как переработка отходов, солнечные батареи и эффективные автомобили, несут вред окружающей среде.Но биотопливо? Более десяти лет назад СМИ, ООН и природоохранные организации говорили нам, что биотопливо борется с изменением климата, помогая бедным, а теперь мы слышим, что биотопливо так же грязно, как нефть, и повышает цены на продукты питания. Как история так сильно изменилась, и что мы должны думать о таких вещах, как «усовершенствованное биотопливо» и «биотопливо из отходов?»

Биотопливо сбивает с толку, потому что оно сложное, и оно сложное в основном из-за косвенных эффектов.Это похоже на непредвиденные последствия, когда гидроэнергетика останавливает нерест лосося вверх по течению, или ветряные мельницы убивают птиц… за исключением гораздо более сложного. Биотопливо почти всегда влияет на использование земли во всем мире. Основная теория состоит в том, что любой углерод, попавший в атмосферу из биотоплива, сначала был поглощен ростом растений, поэтому чистых изменений в атмосферном углероде нет. Но это имеет смысл только в том случае, если кто-то выращивает растения на заброшенной парковке. Для выращивания сырья для биотоплива требуется много земли, и эта земля либо (а) недавно переоборудована из леса или пастбища, либо (б) уже используется для выращивания сельскохозяйственных культур для производства продуктов питания.В сценарии (а) прямое изменение землепользования за счет вырубки леса или выкапывания пастбищ высвобождает большое количество CO2 из биомассы и почвы и наносит вред дикой природе. В сценарии (b) переключение продуктов питания на биотопливо приводит к росту цен на продукты питания и косвенному изменению земель, когда кто-то вырубает лес или выкапывает пастбища, чтобы посадить больше продуктов питания в другом месте в мире. В производстве энергии, как и во всем остальном, трудно получить что-то бесплатно.

Итак, как ни крути, наземное биотопливо вызывает выбросы, связанные с изменением землепользования, и, когда вы добавляете выбросы от транспортировки и обработки сырья и топлива, общие выбросы в течение жизненного цикла от этого биотоплива в большинстве случаев начинают больше походить на уровень выбросов от сжигания нефти.Например, по оценке EPA, включая выбросы при изменении землепользования, кукурузный этанол обеспечивает сокращение выбросов парниковых газов (ПГ) только на 21% по сравнению с бензином. Хуже обстоит дело с биотопливом, изготовленным из растительных масел, таких как соя или рапс, потому что повышение цен на эти масла заставляет производителей продуктов питания и мыла переходить на пальмовое масло, которое приводит к очень высоким выбросам в результате вырубки тропических лесов. С другой стороны, энергетические культуры, такие как просо или тополь с коротким севооборотом, связаны с незначительными косвенными изменениями в землепользовании, потому что они недостаточно ценны, чтобы серьезно конкурировать с продовольственными культурами на сельскохозяйственных землях, и потому, что они фактически увеличивают углерод почвы там, где они выращиваются.

А как насчет биотоплива, сделанного из сырья, которое не используется на земле, например из отходов? Что ж, важно, о каких «отходах» мы говорим. Сельскохозяйственные и лесные отходы, такие как кукурузная солома, пшеничная солома, веточки и листья, действительно обеспечивают значительную экономию парниковых газов, но только в том случае, если они собираются экологически рационально, оставляя на земле некоторый материал для предотвращения эрозии и потери углерода в почве. Что касается других отходов, то на самом деле очень мало вещей выбрасывается в больших масштабах. Хорошим примером может служить использованное кулинарное масло — оно звучит как что-то, что вы выбрасываете, но в U.S. наиболее используемое собираемое кулинарное масло используется для скармливания скоту. В ЕС использованное кулинарное масло выбрасывают, если оно не используется в качестве биотоплива из-за опасений коровьего бешенства. Если американское использованное кулинарное масло превращается в биотопливо, мы должны найти что-то еще, чтобы накормить наших коров, а это означает больше кукурузы или соевого масла и, следовательно, больше изменений в землепользовании. Это снова мы!

Все станет еще сложнее. Чем больше биотоплива мы производим, тем больше мы увеличиваем мировые поставки топлива, что снижает цены на бензин и дизельное топливо и побуждает людей водить больше.Это ужасный эффект отдачи, который в академической литературе называется косвенным изменением расхода топлива. Это означает, что преимущества биотоплива, который лишь немного чище, чем нефть, сводятся к нулю за счет более широкого использования бензина и дизельного топлива. Если принять во внимание косвенное изменение использования топлива, только биотопливо, обеспечивающее высокую экономию углерода, такое как целлюлозное биотопливо из кукурузной соломы или проса, действительно принесет хоть какую-то пользу для климата.

Итак, где мы находимся в отношении биотоплива? Это все еще сложно, но, чтобы помочь нам сохранять ясность, вот несколько принципов, которым мы следуем в ICCT:

• Дело не в топливе, а в сырье.Этанол, биодизель, возобновляемое дизельное топливо, биогаз, биоструйный двигатель — это не имеет значения (или, по крайней мере, не имеет большого значения). Из какого растения или животного делается биотопливо — вот что действительно определяет, насколько оно безвредно для окружающей среды.
• Биотопливо на основе пищевых продуктов не очень помогает. Это биотопливо предлагает в лучшем случае умеренное сокращение выбросов парниковых газов по сравнению с бензином и дизельным топливом. В худшем случае они загрязняют даже больше, чем нефть.
• «Отходы» лучше еды, но в ограниченном количестве. Сало, птичий жир и использованное кулинарное масло, вероятно, обеспечивают лучшую экономию парниковых газов, чем большинство видов пищевого биотоплива, но могут вызывать выбросы в результате вытеснения других видов использования.Производство этих материалов ограничено, и их предложение не будет расти в ответ на рост спроса на биотопливо, поэтому мы не можем рассчитывать на многое.
• Сельскохозяйственные и лесные отходы позволяют сократить выбросы парниковых газов, если их собирать экологически рационально, поскольку на земле остается достаточно материала для предотвращения эрозии и потери почвы.
• Наибольшие возможности могут быть получены от энергетических культур. Фактические данные свидетельствуют о том, что целлюлозное биотопливо, полученное из энергетических культур, имеет гораздо меньшие выбросы при изменении землепользования, чем биотопливо на основе пищевых продуктов.
• Используйте термин «современное биотопливо» с осторожностью. В зависимости от того, кого вы спросите, это может означать «целлюлозное», «полученное из отходов» или даже «возобновляемое дизельное топливо из пальмового масла». «Продвинутый» не обязательно означает низкое содержание углерода, поэтому будьте конкретны.
• Не забывайте о низкоуглеродном топливе, которое не является «биологическим». Производство жидкостей из возобновляемых источников энергии не является биологическим, но может помочь в достижении наших климатических целей. И давайте не будем забывать о низкоуглеродной электроэнергии, используемой в электромобилях и автобусах.

Биотопливо | Информация об открытой энергии

Биотопливо — это широкий спектр видов топлива, которые тем или иным образом получают из биомассы.Этот термин охватывает твердую биомассу, жидкое топливо и различные биогазы. ^[1] Биотопливо привлекает все большее внимание общественности и ученых, что обусловлено такими факторами, как скачки цен на нефть и необходимость повышения энергетической безопасности.

Биоэтанол — это спирт, получаемый путем ферментации сахарных компонентов растительного сырья, и он производится в основном из сахарных и крахмальных культур. С развитием передовых технологий целлюлозная биомасса, такая как деревья и травы, также используется в качестве сырья для производства этанола.Этанол можно использовать в качестве топлива для транспортных средств в чистом виде, но обычно он используется в качестве добавки к бензину для повышения октанового числа и снижения выбросов транспортных средств. Биоэтанол широко используется в США и Бразилии.

Биодизель производится из растительных масел, животных жиров или переработанных жиров. Биодизель можно использовать в качестве топлива для транспортных средств в чистом виде, но обычно его используют в качестве добавки к дизельному топливу для снижения уровня твердых частиц, окиси углерода и углеводородов в транспортных средствах с дизельными двигателями.Биодизельное топливо производится из масел или жиров с помощью переэтерификации и является наиболее распространенным биотопливом в Европе.

Биотопливо обеспечило 1,8% мирового транспортного топлива в 2008 году. Инвестиции в производство биотоплива во всем мире в 2007 году превысили 4 миллиарда долларов и продолжают расти. ^[2]

Топливо жидкое транспортное

Большинство видов топлива для транспортных средств представляют собой жидкости, поскольку транспортным средствам обычно требуется высокая удельная энергия, как это происходит с жидкостями и твердыми телами. Наиболее дешево высокую удельную мощность может обеспечить двигатель внутреннего сгорания; Эти двигатели требуют чистого горючего топлива, чтобы поддерживать двигатель в чистоте и минимизировать загрязнение воздуха.

Топливо, которое легче всего сжечь чисто, обычно представляет собой жидкости и газы. Таким образом, жидкости (и газы, которые могут храниться в жидкой форме) удовлетворяют требованиям переносимости и чистоты сжигания. Кроме того, можно перекачивать жидкости и газы, что означает, что манипулирование ими легко механизируется и, следовательно, менее трудоемко.

Биотопливо первого поколения

«Биотопливо первого поколения» — это биотопливо, изготовленное из сахара, крахмала, растительного масла или животных жиров с использованием традиционной технологии. ^[3] Основным сырьем для производства биотоплива первого поколения часто являются семена или зерна, такие как пшеница, из которых получается крахмал, ферментируемый в биоэтанол, или семена подсолнечника, которые прессуются для получения растительного масла, которое можно использовать в биодизельном топливе. . Вместо этого это сырье может попасть в пищевую цепочку животных или человека, и по мере роста мирового населения их использование в производстве биотоплива подвергается критике за отвлечение продуктов питания от пищевой цепи человека, что приводит к нехватке продуктов питания и росту цен.

Наиболее распространенные виды биотоплива перечислены ниже.

Биоспирты

Спирты, получаемые биологическим путем, чаще всего этанол, реже пропанол и бутанол, производятся под действием микроорганизмов и ферментов путем ферментации сахаров или крахмалов (проще всего) или целлюлозы (что сложнее). Часто утверждается, что биобутанол (также называемый биогазолином) обеспечивает прямую замену бензина, поскольку его можно использовать непосредственно в бензиновом двигателе (аналогично биодизелю в дизельных двигателях).

Топливо этанол является наиболее распространенным биотопливом в мире, особенно этанол в Бразилии. Спиртовое топливо производится путем ферментации сахаров, полученных из пшеницы, кукурузы, сахарной свеклы, сахарного тростника, патоки и любого сахара или крахмала, из которого могут быть изготовлены алкогольные напитки (например, картофельные и фруктовые отходы и т. Д.). Используемые методы производства этанола — это ферментное расщепление (для высвобождения сахаров из хранящихся крахмалов), ферментация сахаров, дистилляция и сушка. Процесс дистилляции требует значительных затрат энергии для получения тепла (часто неприемлемое ископаемое топливо природного газа, но целлюлозная биомасса, такая как жмых, отходы, оставшиеся после прессования сахарного тростника для получения его сока, также можно использовать более рационально).

Этанол может использоваться в бензиновых двигателях вместо бензина; его можно смешивать с бензином до любого процента. Большинство существующих автомобильных бензиновых двигателей могут работать на смесях биоэтанола с содержанием бензина и бензина до 15%. Этанол имеет меньшую плотность энергии, чем бензин, а это означает, что для выполнения того же объема работы требуется больше топлива (объема и массы). Преимущество этанола (Ch4Ch3OH) заключается в том, что он имеет более высокое октановое число, чем бензин без этанола, доступный на придорожных заправках, что позволяет увеличить степень сжатия двигателя для повышения термического КПД.В высокогорных районах (разреженный воздух) некоторые штаты предписывают использовать смесь бензина и этанола в качестве зимнего окислителя для сокращения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

Этанол также используется в качестве топлива для каминов на биоэтаноле. Поскольку для них не требуется дымоход и они не имеют дымохода, биоэтаноловые костры ^[4] чрезвычайно полезны для новостроек в домах и квартирах без дымохода. Обратной стороной этих каминов является то, что тепловая мощность немного меньше, чем у электрических и газовых каминов.

В текущей модели производства спирта из кукурузы в Соединенных Штатах с учетом общего количества энергии, потребляемой сельскохозяйственным оборудованием, выращиванием, посадкой, удобрениями, пестицидами, гербицидами и фунгицидами из нефти, системами орошения, уборкой урожая, транспортировкой сырья для перерабатывающих заводов, ферментации, дистилляции, сушки, транспортировки к топливным терминалам и розничным насосам, а также для более низкого содержания энергии в топливе этанола, чистая добавленная стоимость энергии, добавленная и доставленная потребителям, очень мала.И чистая выгода (с учетом всех обстоятельств) мало способствует сокращению неустойчивого импорта нефти и ископаемого топлива, необходимых для производства этанола. ^[5]

Хотя этанол из кукурузы и других продуктов питания имеет последствия как с точки зрения мировых цен на продовольствие, так и с точки зрения ограниченного, но положительного выхода энергии (с точки зрения энергии, доставляемой потребителю / используемого ископаемого топлива), эта технология имеет привело к развитию целлюлозного этанола. Согласно программе совместных исследований, проведенных U.S. Department of Energy, ^[6] коэффициенты ископаемой энергии (FER) для целлюлозного этанола, кукурузного этанола и бензина составляют 10,3, 1,36 и 0,81 соответственно. ^{[7] [8] [9]}

Многие производители автомобилей в настоящее время производят автомобили с гибким топливом (FFV), которые могут безопасно работать на любой комбинации биоэтанола и бензина, вплоть до 100% биоэтанола. Они динамически определяют содержание кислорода в выхлопных газах и соответственно регулируют компьютерные системы двигателя, искру и впрыск топлива.Это увеличивает начальную стоимость и увеличивает текущее обслуживание автомобиля. Как и для всех транспортных средств, эффективность падает, а выбросы загрязняющих веществ увеличиваются, когда техническое обслуживание системы FFV необходимо (независимо от используемой топливной смеси), но не выполняется. Двигатели внутреннего сгорания FFV становятся все более сложными, как и гибридные автомобили FFV с несколькими силовыми установками, что влияет на стоимость, техническое обслуживание, надежность и полезный срок службы.

Даже сухой этанол имеет примерно на треть меньшее энергосодержание на единицу объема по сравнению с бензином, поэтому для проезда на такое же расстояние требуются большие / тяжелые топливные баки или требуется больше остановок для заправки.При нынешних крупных неустойчивых, немасштабируемых субсидиях топливо на этаноле по-прежнему стоит намного дороже на пройденное расстояние, чем текущие высокие цены на бензин в Соединенных Штатах. ^[10]

В настоящее время метанол производится из природного газа, невозобновляемого ископаемого топлива. Его также можно производить из биомассы в виде биометанола. Экономия метанола — интересная альтернатива водородной экономике по сравнению с сегодняшним водородом, производимым из природного газа, но не производством водорода непосредственно из воды и современными процессами чистой солнечной тепловой энергии. ^[11]

Бутанол образуется в результате ферментации ABE (ацетон, бутанол, этанол), и экспериментальные модификации процесса показывают потенциально высокий чистый выигрыш энергии с бутанолом в качестве единственного жидкого продукта. Бутанол будет производить больше энергии и, как утверждается, может сжигаться «прямо» в существующих бензиновых двигателях (без модификации двигателя или автомобиля), ^[12] , и он менее агрессивен и менее растворим в воде, чем этанол, и может распространяться через существующую инфраструктуру. .DuPont и BP работают вместе, чтобы помочь в разработке бутанола. E. coli]] также были успешно сконструированы для производства бутанола путем нарушения их метаболизма аминокислот. ^[13]

Зеленый Дизель

Зеленое дизельное топливо, также известное как возобновляемое дизельное топливо, представляет собой форму дизельного топлива, которое получают из возобновляемого сырья, а не из ископаемого сырья, используемого в большинстве дизельных топлив. Зеленое дизельное топливо не следует путать с биодизелем, который отличается по химическому составу и перерабатывается с использованием переэтерификации, а не традиционной фракционной перегонки, используемой для обработки зеленого дизельного топлива.

Сырье для зеленого дизельного топлива может быть получено из различных масел, включая канолу, водоросли, ятрофу и саликорнию, а также жир.

Биодизель

Биодизель — наиболее распространенное биотопливо в Европе. Он производится из масел или жиров путем переэтерификации и представляет собой жидкость, аналогичную по составу ископаемому / минеральному дизельному топливу. Химически он состоит в основном из метиловых (или этиловых) эфиров жирных кислот (FAME). Масла смешиваются с гидроксидом натрия и метанолом (или этанолом), и в результате химической реакции образуются биодизель (FAME) и глицерин.Одна часть глицерина производится на каждые 10 частей биодизеля. Сырье для биодизеля включает животные жиры, растительные масла, сою, семена рапса, ятрофу, махуа, горчицу, лен, подсолнечник, пальмовое масло, коноплю, полевой кресс-салат, понгамию пиннату и водоросли. Чистый биодизель (B100) на сегодняшний день является дизельным топливом с наименьшими выбросами. Хотя сжиженный нефтяной газ и водород имеют более чистое сгорание, они используются в качестве топлива для гораздо менее эффективных бензиновых двигателей и не так широко доступны.

Биодизель может использоваться в любом дизельном двигателе в сочетании с минеральным дизельным топливом.Большинство производителей автомобилей ограничивают свои рекомендации 15% биодизельного топлива, смешанного с минеральным дизельным топливом. В некоторых странах производители покрывают свои дизельные двигатели гарантией на использование B100, хотя Volkswagen в Германии, например, просит водителей проверить по телефону в отделе экологических услуг VW, прежде чем переходить на B100. В100 может стать более вязким при более низких температурах, в зависимости от используемого сырья, что требует наличия в транспортных средствах подогревателей топливопровода. В большинстве случаев биодизельное топливо совместимо с дизельными двигателями, начиная с 1994 г., которые используют синтетический каучук Viton (от DuPont) в своих системах механического впрыска.В системах типа «common rail» и «pump duse» с электронным управлением, начиная с конца 1990-х годов, можно использовать только биодизельное топливо, смешанное с обычным дизельным топливом. Эти двигатели имеют многоступенчатые системы впрыска с мелкой дозировкой и распылителем, которые очень чувствительны к вязкости топлива. Многие дизельные двигатели текущего поколения сделаны так, что могут работать на B100 без изменения самого двигателя, хотя это зависит от конструкции топливной рампы. NExBTL подходит для всех дизельных двигателей в мире, поскольку он превосходит стандарты DIN EN 590.

Поскольку биодизельное топливо является эффективным растворителем и очищает отложения минерального дизельного топлива, фильтры двигателя, возможно, придется заменять чаще, поскольку биотопливо растворяет старые отложения в топливном баке и трубах. Он также эффективно очищает камеру сгорания двигателя от нагара, помогая поддерживать эффективность. Во многих европейских странах широко используется 5% -ная смесь биодизеля, доступная на тысячах заправочных станций. ^{[14] [15]} Биодизель также является кислородсодержащим топливом , что означает, что он содержит меньшее количество углерода и более высокое содержание водорода и кислорода, чем ископаемое дизельное топливо.Это улучшает сгорание ископаемого дизельного топлива и снижает выбросы твердых частиц из несгоревшего углерода.

Биодизель безопасен в обращении и транспортировке, поскольку он так же биоразлагаем, как сахар, в 10 раз менее токсичен, чем поваренная соль, и имеет высокую температуру вспышки около 300 F (148 C) по сравнению с нефтяным дизельным топливом, которое имеет температуру вспышки 125 F (52 C). ^[16]

В США более 80% коммерческих грузовиков и городских автобусов работают на дизельном топливе. По оценкам, с 2004 по 2005 год развивающийся рынок биодизеля в США вырос на 200%.«По оценкам, к концу 2006 года производство биодизеля увеличится в четыре раза [по сравнению с 2004 годом] и превысит 1 миллиард галлонов». ^[17]

Масло растительное

Пищевое растительное масло обычно не используется в качестве топлива, но для этой цели можно использовать масло более низкого качества. Отработанное растительное масло все чаще перерабатывается в биодизельное топливо или (реже) очищается от воды и твердых частиц и используется в качестве топлива. Чтобы топливные форсунки распыляли топливо по правильной схеме для эффективного сгорания, топливо на растительном масле необходимо нагревать до снижения его вязкости до вязкости дизельного топлива с помощью электрических змеевиков или теплообменников.Это легче сделать в теплом или умеренном климате. Крупные корпорации, такие как MAN B&W Diesel, Wartsila и Deutz AG, а также ряд более мелких компаний, таких как Elsbett, предлагают двигатели, совместимые с чистым растительным маслом, без необходимости в дополнительных модификациях. Растительное масло также можно использовать во многих старых дизельных двигателях, в которых не используются электронные системы впрыска Common Rail или блочного впрыска. Благодаря конструкции камер сгорания в двигателях с непрямым впрыском, эти двигатели лучше всего подходят для использования с растительным маслом.Эта система позволяет относительно большим молекулам масла дольше гореть. Некоторые старые двигатели, особенно Mercedes, экспериментально управляются энтузиастами без какой-либо модернизации, некоторые водители добились ограниченного успеха с более ранними двигателями VW TDI до «Pumpe Duse» и другими аналогичными двигателями с непосредственным впрыском. Некоторые компании, такие как Elsbett] или Wolf, разработали профессиональные комплекты для переоборудования и успешно установили сотни из них за последние десятилетия.

Масла и жиры можно гидрогенизировать для получения заменителя дизельного топлива.Полученный продукт представляет собой углеводород с прямой цепью с высоким содержанием цетана, низким содержанием ароматических соединений и серы и не содержит кислорода. Гидрогенизированные масла можно смешивать с дизельным топливом во всех пропорциях. Гидрогенизированные масла имеют ряд преимуществ перед биодизелем, в том числе хорошие характеристики при низких температурах, отсутствие проблем со стабильностью при хранении и отсутствие подверженности микробным атакам. ^[18]

Биоэфиры

Биоэфиры (также называемые топливными эфирами или топливными оксигенатами) представляют собой экономичные соединения, которые действуют как усилители октанового числа.Они также улучшают характеристики двигателя, значительно снижая износ двигателя и токсичные выбросы выхлопных газов. Значительно уменьшая количество приземного озона, они улучшают качество воздуха, которым мы дышим. ^{[19] [20] [21]}

Биогаз

Биогаз образуется в процессе анаэробного переваривания органических веществ анаэробами. ^[22] Его можно производить либо из биоразлагаемых отходов, либо путем использования энергетических культур, подаваемых в анаэробные варочные котлы, для увеличения выхода газа.Твердый побочный продукт, дигестат, можно использовать в качестве биотоплива или удобрения. В Великобритании Национальный совет по углю экспериментировал с микроорганизмами, которые переваривали уголь на месте, превращая его непосредственно в газы, такие как метан.

Биогаз содержит метан и может быть извлечен из промышленных анаэробных варочных котлов и систем механической биологической очистки. Свалочный газ — это менее чистая форма биогаза, которая производится на свалках в результате естественного анаэробного сбраживания. Если он улетучивается в атмосферу, это мощный парниковый газ.

Масла и газы могут быть получены из различных биологических отходов:

• Термическая деполимеризация отходов позволяет извлечь метан и другие масла, аналогичные нефти.
• GreenFuel Technologies Corporation разработала запатентованную систему биореактора, в которой используются нетоксичные фотосинтетические водоросли для поглощения дымовых газов и производства биотоплива, такого как биодизель, биогаз и сухое топливо, сопоставимое с углем. ^[23]

Фермеры могут производить биогаз из навоза своих коров, используя анаэробный варочный котел (AD). ^[24]

Синтез-газ

Синтез-газ, смесь оксида углерода и водорода, производится путем частичного сжигания биомассы, то есть сжигания с количеством кислорода, недостаточным для полного преобразования биомассы в диоксид углерода и воду. ^[18] Перед частичным сжиганием биомасса сушится, а иногда подвергается пиролизу.

Образовавшаяся газовая смесь, синтез-газ, сама по себе является топливом. Использование синтез-газа более эффективно, чем прямое сжигание исходного биотоплива; больше энергии, содержащейся в топливе, извлекается.

Синтез-газ можно сжигать непосредственно в двигателях внутреннего сгорания или турбинах. Генератор древесного газа представляет собой реактор газификации на древесном топливе, установленный на двигателе внутреннего сгорания. Синтез-газ можно использовать для производства метанола и водорода или преобразовать с помощью процесса Фишера-Тропша для производства синтетического заменителя дизельного топлива или смеси спиртов, которые можно смешать с бензином. Газификация обычно происходит при температуре> 700 ° C. При совместном производстве биоугля желательна газификация при более низкой температуре, но в результате синтез-газ будет загрязнен смолой.

Твердое биотопливо

Примеры включают древесину, опилки, срезанную траву, бытовые отходы, древесный уголь, сельскохозяйственные отходы, непродовольственные энергетические культуры и сушеный навоз.

Когда сырая биомасса уже находится в подходящей форме (например, дрова), она может гореть непосредственно в печи или печи для обеспечения тепла или повышения пара. Когда сырая биомасса находится в неудобной форме (например, опилки, древесная щепа, трава, городские отходы древесины, сельскохозяйственные остатки), типичным процессом является уплотнение биомассы.Этот процесс включает измельчение сырой биомассы до частиц подходящего размера (известного как хогтопливо), который в зависимости от типа уплотнения может составлять от 1 до 3 см (1 дюйм), которые затем концентрируются в топливный продукт. Текущие типы процессов — гранулы, кубики или шайбы. Процесс гранулирования наиболее распространен в Европе и, как правило, представляет собой продукт из чистой древесины. Другие типы уплотнения больше по размеру по сравнению с гранулами и совместимы с широким диапазоном входящего сырья. Полученное уплотненное топливо легче транспортировать и подавать в системы выработки тепла, такие как котлы.

Проблема сжигания сырой биомассы заключается в том, что она выделяет значительные количества загрязняющих веществ, таких как твердые частицы и ПАУ (полициклические ароматические углеводороды). Даже современные котлы на пеллетах производят гораздо больше загрязняющих веществ, чем котлы на жидком топливе или природном газе. Пеллеты, изготовленные из сельскохозяйственных остатков, обычно хуже, чем древесные гранулы, производя гораздо большие выбросы диоксинов и хлорфенолов. ^[25]

Несмотря на вышеупомянутое исследование, многочисленные исследования показали, что топливо из биомассы оказывает значительно меньшее воздействие на окружающую среду, чем ископаемое топливо.Следует отметить лабораторию Министерства энергетики США, управляемую Среднезападным научно-исследовательским институтом Энергия биомассы и традиционные ископаемые системы с секвестрацией CO2 и без нее — сравнение энергетического баланса, выбросов парниковых газов и экономического исследования. При производстве электроэнергии выделяются значительные количества парниковых газов (ПГ), в основном двуокиси углерода (CO ₂ ). Отделение CO ₂ из дымовых газов электростанции может значительно снизить выбросы парниковых газов от самой электростанции, но это не полная картина.Улавливание и улавливание CO ₂ потребляет дополнительную энергию, что снижает эффективность преобразования топлива в электроэнергию. Чтобы компенсировать это, необходимо закупить и потребить больше ископаемого топлива, чтобы восполнить потерянные мощности. Принимая это во внимание, потенциал глобального потепления (GWP), который представляет собой комбинацию выбросов CO ₂ , метана (CH ₄ ) и закиси азота (N ₂ O), и энергетический баланс системы требуют быть изученным с использованием подхода жизненного цикла.При этом учитываются предшествующие процессы, которые остаются постоянными после секвестрации CO ₂ , а также шаги, необходимые для дополнительной выработки электроэнергии. сжигание биомассы вместо угля привело к снижению ПГП на 148%.

Производным твердого биотоплива является биоуголь, который получают путем пиролиза биомассы. Биоуглерод из сельскохозяйственных отходов может заменить древесный уголь. По мере того, как запас древесины становится дефицитом, эта альтернатива становится все более популярной. Например, в восточной части Демократической Республики Конго брикеты из биомассы продаются в качестве альтернативы древесному углю, чтобы защитить национальный парк Вирунга от обезлесения, связанного с производством древесного угля. ^[26]

Споры о биотопливе первого поколения

Существуют разногласия и политические предположения относительно биотоплива первого поколения из-за сельскохозяйственных, экономических и социальных последствий, связанных с потенциальным расширением производства биотоплива.

Исследования, проведенные в Китае, показывают, что спрос на сырье для биотоплива, такое как кукуруза, сахарный тростник и маниока, значительно возрастет в связи с расширением производства биотоплива; повышенный спрос на сырье приведет к значительному росту цен на такое зерно ^[27] .Аналогичное исследование, посвященное потенциальному увеличению производственных мощностей по производству этанола в Соединенных Штатах, также предсказывает тенденцию к повышению цен на сельскохозяйственную продукцию как прямое влияние на расширение внутреннего производства биотоплива ^[28] . Расширение производства биотоплива также, по прогнозам, отразится на ценах на домашний скот. Исследование, проведенное в Китае, показало, что рост цен на кукурузу из-за расширения производства биотоплива косвенно вызовет рост цен на продукцию животноводства из-за сильной зависимости от кукурузы в качестве корма для животных ^[29] .Повышение цен на производственные ресурсы также приведет к сокращению животноводства и, в конечном итоге, к снижению доходов производителей животноводческой продукции, что скажется на семьях во всем мире.

Повышение цен на сельскохозяйственную продукцию также побудит фермеров отказаться от производства других менее прибыльных зерновых, что вызовет сдвиг в структуре растениеводства, что приведет к уменьшению сельскохозяйственного разнообразия, что впоследствии приведет к отвлечению продовольствия от пищевой цепи человека. Для того, чтобы Соединенные Штаты достигли цели по биотопливу, поставленной в Законе об энергетической независимости и безопасности, 40% земель, которые в настоящее время используются для выращивания кукурузы, должны быть преобразованы для производства сырья для биотоплива ^[30] .Ожидается, что изменения в растениеводстве и изменения мировых цен на сельскохозяйственные товары в связи с расширением рынка биотоплива окажут глобальное воздействие на потребителей. Лица, испытывающие нехватку продовольствия, в большей степени пострадают от повышения мировых цен; Неустойчивость цен на продукты питания оказывает наибольшее влияние на крайне бедных, т. е. тех, кто тратит 55-75% своего дохода на продукты питания ^[31] .

Биотопливо второго поколения

Сторонники биотоплива утверждают, что более жизнеспособным решением является усиление политической и промышленной поддержки и ускорение внедрения биотоплива второго поколения из непродовольственных культур.К ним относятся отходы биомассы, стебли пшеницы, кукурузы, древесины и культур, получающих особую энергию или биомассу (например, мискантуса). В биотопливе второго поколения (2G) используется технология преобразования биомассы в жидкость, ^[32] включая целлюлозное биотопливо. ^[33] Многие виды биотоплива второго поколения находятся в стадии разработки, такие как биогидроген, биометанол, 2,5-диметилфуран, биодиметилэтилен, дизельное топливо Фишера-Тропша, биотопливо, смешанные спирты и древесное дизельное топливо.

При производстве целлюлозного этанола используются непищевые культуры или непищевые отходы, и продукты питания не отвлекаются от пищевой цепи животных или человека.Лигноцеллюлоза — «древесный» структурный материал растений. Это сырье в изобилии и разнообразно, и в некоторых случаях (например, кожура цитрусовых или опилки) само по себе является значительной проблемой утилизации.

Производство этанола из целлюлозы является сложной технической задачей. В природе жвачные животные (например, крупный рогатый скот) едят траву, а затем используют медленные ферментативные процессы пищеварения, чтобы расщепить ее на глюкозу (сахар). В лабораториях по производству целлюлозного этанола разрабатываются различные экспериментальные процессы, чтобы сделать то же самое, а затем высвободившиеся сахара можно ферментировать для получения этанольного топлива.В 2009 году ученые сообщили о разработке с использованием «синтетической биологии» «15 новых высокостабильных катализаторов грибковых ферментов, которые эффективно расщепляют целлюлозу на сахара при высоких температурах», в дополнение к 10 ранее известным. ^[34] Кроме того, исследование, проведенное Джеком Пронком в Техническом университете Делфта, показало, что слоновые дрожжи при незначительной модификации также могут создавать этанол из непищевых источников измельчения (например, соломы). ^{[35] [36]}

Недавнее открытие грибка Gliocladium roseum указывает на производство так называемого микодизеля из целлюлозы.Этот организм был недавно обнаружен в тропических лесах северной Патагонии и обладает уникальной способностью превращать целлюлозу в углеводороды средней длины, обычно содержащиеся в дизельном топливе. ^[37]

Ученые также работают над экспериментальными рекомбинантными ДНК организмами генной инженерии, которые могут увеличить потенциал биотоплива.

Ученые, работающие в Новой Зеландии, разработали технологию использования промышленных отходящих газов сталелитейных заводов в качестве сырья для процесса микробной ферментации для производства этанола. ^{[38] [39]}

Биотопливо третьего поколения

Топливо из водорослей, также называемое масличным или биотопливом третьего поколения, представляет собой биотопливо из водорослей. Водоросли — это малозатратное высокопроизводительное сырье для производства биотоплива. На основании лабораторных экспериментов утверждается, что водоросли могут производить до 30 раз больше энергии на акр, чем наземные культуры, такие как соевые бобы, ^[40] , но эти урожаи еще не получены в промышленных масштабах. В связи с более высокими ценами на ископаемое топливо (нефть) существует большой интерес к альгакультуре (выращиванию водорослей).Одним из преимуществ многих видов биотоплива перед большинством других видов топлива является то, что они поддаются биологическому разложению и поэтому относительно безвредны для окружающей среды в случае разлива. ^{[41] [42] [43]} Топливо из водорослей все еще имеет свои трудности, хотя, например, для производства топлива из водорослей его необходимо смешивать равномерно, что, если сделать это путем перемешивания, может повлиять на рост биомассы. ^[44]

По оценкам Министерства энергетики США, если бы топливо из водорослей заменило все нефтяное топливо в Соединенных Штатах, для этого потребовалось бы 15 000 квадратных миль (38 849 квадратных километров), что примерно равно площади Мэриленда ^{[40 ]} , что составляет менее одной седьмой площади земель, отведенных под кукурузу в 2000 году. ^[45]

Биотопливо второго и третьего поколения также называют передовым биотопливом.

Водоросли, такие как Botryococcus braunii и Chlorella vulgaris, относительно легко выращивать, ^[46] , но масло водорослей трудно извлечь. Есть несколько подходов, некоторые из которых работают лучше, чем другие. ^[47] Макроводоросли (морские водоросли) также обладают большим потенциалом для производства биоэтанола и биогаза. ^[48]

Зеленое топливо

Однако, если биокаталитический крекинг и традиционная фракционная перегонка используются для обработки правильно подготовленной биомассы водорослей i.е. biocrude ^[49] , то в результате мы получаем следующие дистилляты: реактивное топливо, бензин, дизельное топливо и т. д. Следовательно, мы можем назвать их топливом третьего поколения или зеленым топливом.

Этанол из живых водорослей

Большая часть биотоплива производится за счет сбора органических веществ и последующего преобразования их в топливо, но альтернативный подход основан на том факте, что некоторые водоросли естественным образом производят этанол, и его можно собрать, не убивая водоросли. Этанол испаряется, а затем его можно конденсировать и собирать.Компания Algenol пытается коммерциализировать этот процесс.

Гелиокультура

Гелиокультура — это недавно разработанная технология, которая, как утверждается, способна производить 20 000 галлонов топлива на акр в год и удаляет диоксид углерода из воздуха в качестве сырья для топлива. ^[50]
Гелиокультура включает прямое преобразование углекислого газа в топливо с использованием солнечной энергии. ^[51] Гелиокультура может использоваться для разработки множества различных видов топлива и химических веществ на основе нефти, при этом не используются пресная вода или сельское хозяйство. ^[52]

Биотопливо по регионам

Признавая важность внедрения биоэнергетики, существуют международные организации, такие как IEA Bioenergy, ^[53] , учрежденная в 1978 году Международным энергетическим агентством ОЭСР (МЭА) с целью улучшения сотрудничества и обмена информацией между странами, имеющими национальные программы. в исследованиях, разработке и внедрении биоэнергетики. Международный форум Организации Объединенных Наций по биотопливу образован Бразилией, Индией, Китаем, Южной Африкой, США и Европейской комиссией. ^[54] Мировыми лидерами в разработке и использовании биотоплива являются Бразилия, США, Франция, Швеция и Германия.

Проблемы с производством и использованием биотоплива

Существуют различные текущие вопросы, связанные с производством и использованием биотоплива, которые в настоящее время обсуждаются в популярных средствах массовой информации и научных журналах. К ним относятся: влияние снижения цен на нефть, дебаты «продукты питания против топлива», уровни выбросов углерода, устойчивое производство биотоплива, обезлесение и эрозия почвы, воздействие на водные ресурсы, проблемы прав человека, потенциал сокращения бедности, цены на биотопливо, энергетический баланс и эффективность и централизованные модели производства по сравнению с децентрализованными.

Дополнительная литература

Внешние ссылки

Ссылки по теме

Список литературы

1. ↑ «Политические, экономические и экологические последствия биотоплива: обзор»
2. ↑ (16.10.2009). «На пути к устойчивому производству и использованию ресурсов: оценка биотоплива»
3. ↑ Отчет ООН о биотопливе
4. ↑ Биоэтанол горит информационным камином биоэтанола. (2009)
5. ↑ Эндрю Баундс (10 сентября 2007 г.). «« ОЭСР предостерегает от субсидий на биотопливо »»
6. ↑ см. «Преодоление биологических барьеров для целлюлозного этанола»
7. ↑ Бринкман, Н.и др., «Анализ передовых систем / транспортных средств от скважины до колеса», 2005 г.
8. ↑ Farrell, A.E. et al. (2006) «Этанол может способствовать достижению целей в области энергетики и окружающей среды», Science , 311 , 506-8.
9. ↑ Hammerschlag, R. 2006. «Энергетическая отдача от инвестиций в этанол: обзор литературы с 1999 г. по настоящее время», Environ. Sci. Технол ., 40 , 1744-50.
10. ↑ (2007-04-27). «Энергия этанола на 2/3 меньше, чем у бензина, поэтому цена за милю этанола выше»
11. ↑ Водородный солнечный дом
12. ↑ Заглавная страница ООО «БутылФуел»
13. ↑ (14 января 2008 г.). Биотопливо, биопродукты и биопереработка (BioFPR) . «Биотопливо ставит цель выше»
14. ↑ ADM Biodiesel: Гамбург, Леер, Майнц
15. ↑ Добро пожаловать на заправочные станции для биодизеля
16. ↑ http://www.hempcar.org/biofacts.shtml
17. ↑ ФУТУРИСТ, Уилл Турмонд. Июль-август 2007 г.
18. ↑ ^{18,0 18,1} Эванс, Г. «Биотопливо для жидкого транспорта — отчет о состоянии технологии», Национальный центр непродовольственных культур , 14 апреля 2008 г. Проверено 11 мая 2009.
19. ↑ http://eur-lex.europa.eu/LexUriServ/LexUriServ.do?uri=CELEX:31985L0536:EN:HTML, Директива Совета 85/536 / EEC от 5 декабря 1985 г. об экономии сырой нефти за счет использования замените компоненты топлива в бензине
20. ↑ http://circa.europa.eu/Public/irc/env/fuel_quality/library?l=/stakeholder_october/presentations/copert_brusselsppt/_EN_1.0_&a=d Исследование COPERT: оценка воздействия бензина, содержащего этанол
21. ↑ http://www.europarl.europa.eu/registre/docs_autres_institutions/commission_europeenne/sec/2007/0055/COM_SEC(2007)0055_EN.pdf Оценка воздействия Директивы по качеству топлива
22. ↑ Редман Г., Центр Андерсона. «Оценка AD на фермах в Великобритании», Национальный центр непродовольственных культур , 2008-06-09. Проверено 11 мая 2009.
23. ↑ greenfuelonline.com
24. ↑ «БИОГАЗ: Нет быка, навоз может питать вашу ферму». Farmers Guardian (25 сентября 2009 г.): 12. Общий OneFile. Гейл.
25. ↑ Седрик Бриенс, Ян Пискорз и Франко Беррути, «Повышение ценности биомассы для производства топлива и химикатов — обзор», 2008 г.Международный журнал химической реакторной техники, 6, R2
26. ↑ http://www.america.gov/st/env-english/2008/July/20080711150646mlenuhret0.9135401.html
27. ↑ Куи, Хуангуан, Цзикун Хуанг, Мишель Кейзер, Вим ван Вин *. (2008). Варианты политики развития биоэтанола в Китае и последствия для его сельскохозяйственной экономики. Китай и мировая экономика, 16 (6), 112-124
28. ↑ М. В. Розегрант, С. Мсанги, Т. Сулсер и Р. Вальмонте-Сантос, Биотопливо и глобальный продовольственный баланс (Вашингтон, округ Колумбия: Международный исследовательский институт продовольственной политики, 2006 г.)
29. ↑ Цю, Х., Хуанг, Дж., Ян, Дж., Розель, С., Чжан, Ю., Чжан, Ю., и др. (2009). Развитие биоэтанола в Китае и потенциальное влияние на его сельскохозяйственную экономику. Прикладная энергия, 87 (1), 76-83. DOI: 10.1016 / j.apenergy.2009.07.015.
30. ↑ Томас, В. М., Чой, Д. Г., Ло, Д., Окво, А., и Ван, Дж. Х. (2009). Связь биотоплива с биоэлектричеством и сельским хозяйством: продовольственная безопасность, топливная безопасность и сокращение выбросов парниковых газов. Химико-инженерные исследования и разработки, 87 (9), 1140-1146
31. ↑ Нейлор Р., Лиска, А., и Берк, М. (2007). Эффект пульсации: биотопливо, продовольственная безопасность и окружающая среда. Окружающая среда, 49 (9), 30-43. Получено 16 ноября 2009 г. из полнотекстовой базы данных General Science.
32. ↑ Оливер Р. Индервилди, Дэвид А. Кинг. «Quo Vadis Biofuels»
33. ↑ Крис Сомервилл. «« Разработка целлюлозного биотоплива »»
34. ↑ EurekAlert. (2009). 15 новых высокостабильных катализаторов грибковых ферментов, которые эффективно расщепляют целлюлозу на сахара при высоких температурах.
35. ↑ Слоновые дрожжи Джека Пронка
36. ↑ Солома на завод по производству этанола в Сас ван Генте
37. ↑ «» Залейте ее, пожалуйста, и сделайте микодизель «»
38. ↑ * Фишер, Лоуренс М. 24 апреля 2007 г. «Углеродный газ исследуется как источник этанола» New York Times .
39. ↑ * Voegele, E. 27 августа 2009 г. «LanzaTech разрабатывает отходящие газы для производства этанола», Журнал производителей этанола
40. ↑ ^{40,0 40,1} Эвиана Хартман (2008-01-06).»» Многообещающая альтернатива нефти: энергия водорослей «»
41. ↑ Биоразлагаемое биодизельное топливо Globeco
42. ↑ Friends of Ethanol.com биоразлагаемый этанол
43. ↑ Представлена ​​недорогая система производства водорослей
44. ↑ «Новые методы экстракции водорослей с использованием спирального биореактора». Промышленная биопереработка (3 апреля 2009 г.): нет данных. Общий OneFile. Гейл.
45. ↑ Технологии наноферм собирают биотопливные масла, не нанося вреда водорослям
46. ↑ Размножение водорослей в закрытых прудах,
47. ↑ Перспективы биодизельной промышленности
48. ↑ Биотопливо из морских водорослей: Производство биогаза и биоэтанола из бурых макроводорослей
49. ↑ Университет Оклахомы (2009, 14 января).«Зеленый» бензин на горизонте. ScienceDaily. Получено 9 марта 2010 г. с http://www.sciencedaily.com/releases/2009/01/0
50. 155902.htm.
51. ↑ Рецепт биотопливных смесей стартапа CO ₂ , Slime and Sunshine, The New York Times, 27 июля 2009 г.
52. ↑ Луна, Мариэлла. «Новое определение солнечной энергии. (GOODCLEANTECH) (Joules Biotechnologies) (Краткая статья)». PC Magazine 28.9 (сентябрь 2009 г.): 10 (1). Расширенный академический как можно скорее. Гейл.
53. ↑ Берри, Дэвид. «Биологическая солнечная энергия: сочетание синтетической биологии и солнечных технологий может обеспечить способ улавливания углекислого газа и производства топлива.(БИОТОПЛИВО) «Technology Review (Кембридж, Массачусетс) 112,5 (сентябрь-октябрь 2009 г.): 12 (1). General OneFile. Gale.
54. ↑ Биоэнергетика МЭА
55. ↑ (02.03.2007). «Пресс-конференция, посвященная открытию Международного форума по биотопливу»

Биотопливо — Энергетическое образование

Рис. 1. Канола, обычная культура, выращиваемая в Канаде, часто используется в качестве биотоплива. ^[1] Это поле находится в Саскачеване.

Биотопливо — это топливо, полученное из живого вещества, называемого биомассой (обычно растительное вещество).Примеры биотоплива включают, но не ограничиваются ими, биодизельное топливо, этанол и растительное масло. ^[2] Биотопливо можно разделить на три различных типа в зависимости от источника биомассы. Поскольку биотопливо получают в результате роста растений, оно считается возобновляемым источником энергии. Однако вопрос о том, является ли биотопливо устойчивым, сложно решить (см. «Возобновляемые и устойчивые источники энергии»).

Этанол является наиболее распространенным биотопливом в Северной Америке, так как большая часть бензина ^[3] содержит до 10% этанола.Это топливо обозначается как E10, где число обозначает процентное содержание этанола в топливе. Автомобили с гибким топливом могут работать до E85. Оставшиеся 15% топлива должны составлять бензин, так как этанол в двигателях труднее воспламеняется.

При использовании биотоплива в двигателе по-прежнему образуется углекислый газ. Однако, поскольку они получены из недавней биомассы, которая поглощала CO ₂ по мере роста, CO ₂ , высвобождаемый при сгорании, является «таким же», как и они. Это делает биотопливо гораздо ближе к углеродно-нейтральному (нет чистое увеличение атмосферного углерода), чем ископаемое топливо. ^[4] Любые оставшиеся несоответствия между входом и выходом CO ₂ биотоплива требуют тщательного анализа жизненного цикла для измерения.

Биотопливо и ископаемое топливо (уголь, нефть и природный газ) получают из органических веществ, но различаются по тому, как давно это органическое вещество умерло. Ископаемое топливо происходит из органического вещества, которое умерло миллионы лет назад (см. Временную шкалу на странице Вселенной), тогда как биотопливо происходит из недавно умершего органического вещества.

С точки зрения изменения климата биотопливо выделяет столько же углекислого газа, как и ископаемое топливо.Однако, поскольку CO ₂ из биотоплива недавно попал из атмосферы, он не меняет количество углерода, циркулирующего в углеродном цикле. В этом круговороте углерод существует в атмосфере, океане и биосфере, в отличие от затвердевших запасов углерода Земли, откуда берутся ископаемые виды топлива. ^[5] И наоборот, ископаемое топливо высвобождает накопленный CO ₂ , поэтому их сжигание увеличивает количество диоксида углерода в углеродном цикле. Таким образом, хотя замена ископаемого топлива биотопливом не снизит выбросы CO ₂ из выхлопной трубы автомобиля, она резко снизит чистые выбросы CO ₂ .

Интерактивный график

На приведенном ниже графике показано производство энергии по видам энергии в странах по всему миру. Найдите или щелкните по разным странам, чтобы узнать, сколько биомассы они производят в виде доли от их общего производства энергии. Чтобы увидеть страны, которые используют много биомассы, ищите менее развитые страны.

Для дальнейшего чтения

Список литературы

Информационный бюллетень о

биотопливе | Центр устойчивых систем

Биотопливо может снизить интенсивность выбросов энергии и парниковых газов, связанных с транспортом, но может иметь и другие существенные последствия для общества и окружающей среды.В зависимости от спроса, условий выращивания сельскохозяйственных культур и технологий они могут потребовать значительного увеличения использования пахотных земель и воды для орошения. Кроме того, биотопливо, возможно, уже повлияло на мировые цены на продовольствие.

Образцы использования

Производство

• В США этанол в основном получают путем обработки и ферментации крахмала в зернах кукурузы в спирт высокой чистоты. 94% этанола в США получают из кукурузы, а в Бразилии в качестве основного сырья используется сахарный тростник. ^1,2
• США и Бразилия произвели около 84% мирового этанола в 2019 году. ³
• В сезоне 2018/19 гг. 5,4 миллиарда бушелей кукурузы, что составляет 38% предложения США, стали этанолом. ⁴
• Сырье на основе целлюлозного этанола широко распространено и включает стебли кукурузы, растительные остатки, древесную стружку и просо. Получение этанола из этих источников сложнее, потому что целлюлоза не так легко расщепляется на сахара. ⁵
• Биодизель можно производить из животных жиров, жиров, растительных масел и водорослей. В США обычным сырьем являются соевое масло, кукурузное масло и переработанные кулинарные масла. ⁶
• Биодизельное топливо из водорослей — область постоянных исследований. Водоросли потенциально могут производить от 10 до 100 раз больше топлива на акр, чем другие культуры. ⁷

Мировое производство топливного этанола, 2019 год

³

(Миллиард галлонов)

Выход биотоплива по сырью

^{8 , 9,10,11}

U.S. Производство биотоплива, 2001-2019 гг.

¹²

Потребление и спрос

• В 2019 году среднее потребление нефти в США составляло 20,5 миллиона баррелей в день, из которых 3% приходилось на импорт. ¹²
• В 2019 году в США было 200 заводов по переработке этанола и 102 завода по производству биодизеля ^13,14
• В 2019 году мощности по производству биодизеля в США были загружены на 68%. ^12,13
• Многие производители биодизеля полагаются на федеральные налоговые льготы и остаются чувствительными к изменчивым ценам на сырье (соевое масло) и энергоносители (нефть).Льгота по налогу на биодизельное топливо была недавно восстановлена ​​задним числом с 1 января 2018 г. и будет действовать до конца 2022 г. ¹⁵
• В 2019 году 10% автомобильного топлива в США (по объему) приходилось на этанол, а более 98% бензина в США содержали этанол. ^2,12
• E85 продается дешевле, чем обычный бензин, но содержит меньше энергии на галлон. Автомобили с гибким топливом, использующие E85, видят снижение расхода топлива на 15–27%. ¹⁶

Воздействие жизненного цикла

Энергия

• Коэффициент ископаемой энергии (FER) — это отношение выработанной энергии к затратам невозобновляемой энергии. ¹⁷ Бензин имеет ценность 0,8 (1,2 БТЕ ископаемого топлива, необходимое для подачи 1 БТЕ газа в насос). ¹⁹ По последним оценкам, FER для этанола составляет около 1,5, хотя в районах с высокоэффективным выращиванием кукурузы, таких как Айова и Миннесота, FER близок к 4, и ученые полагают, что с повышением эффективности обработки биомассы энергетический баланс может в конечном итоге подняться до 60. ²⁰
• В период с 1990 по 2006 год FER для соевого биодизеля улучшился с примерно 3.2 к 5.5. ²¹ За тот же период этанол перешел от стока энергии к чистому приросту энергии. Во многом улучшение произошло за счет сокращения количества удобрений для выращивания кукурузы. ²⁰
• Для сравнения, у дизельного топлива на нефтяной основе FER составляет 0,83. ²²

Возврат топлива на инвестиции в ископаемое топливо

^17,18

Парниковые газы (ПГ)

• В среднем выбросы парниковых газов от кукурузного этанола на 34% ниже, чем от бензина, если учитывать выбросы изменения землепользования (LUC), и на 44% ниже, если их исключить. ²³
• Выбросы ПГ для целлюлозного этанола в среднем примерно на 97% ниже, чем у бензина, если учитывать выбросы LUC, и на 93% ниже, если исключить выбросы LUC. ²³
• Использование B20 (20% биодизеля, 80% нефтяного дизельного топлива), обычной смеси биодизеля в США, может снизить выбросы CO ₂ на 15% по сравнению с дизельным топливом. Использование B100 (100% биодизель) может снизить выбросы CO ₂ на 74%. ^24,25
• Предполагается, что выбросы CO ₂ биодизеля будут снова компенсированы ростом нового сырья, таким образом, выбросы CO ₂ в выхлопной трубе от биотоплива исключены из расчетов выбросов. ^26,27
• Исследования показали, что увеличение производства биотоплива в США увеличит глобальные выбросы парниковых газов из-за более высоких цен на урожай, что побуждает фермеров в других странах переводить непахотные земли в пахотные. Расчистка новых пахотных земель высвобождает углерод, хранящийся в растительности, предотвращая хранение углерода в этих растениях в будущем. ²⁸

Прочие воздействия

• Каждое лето в Мексиканском заливе возникает большая гипоксическая зона (средняя площадь за пять лет — 6000 квадратных миль). ²⁹ Избыточный азот, в основном из стока удобрений с ферм Среднего Запада, вызывает цветение водорослей, которые разлагают и истощают растворенный кислород, травмируя или убивая водную жизнь. Увеличение посевных площадей под кукурузой с этанолом без изменения методов выращивания затруднит уменьшение зоны гипоксии. ³⁰
• Согласно прогнозам, в глобальном масштабе средняя пахотная земля, используемая для производства биотоплива, вырастет с 2,5% в настоящее время до 6% в 2050 году. Однако воздействие выращивания культур для производства биотоплива широко варьируется из-за региональных различий в климате и доступности сельскохозяйственных угодий. ³¹
• Орошение исходного сырья требует значительно больше воды, чем производство биотоплива. Хотя типичный биоочистительный завод потребляет от 1 до 4 галлонов воды на галлон биотоплива, кукуруза, выращенная в 2003 году в засушливом климате Небраски, требовала 780 галлонов воды для орошения на галлон этанола. ³³ Большая часть производства кукурузы для производства этанола происходит на сильно орошаемых территориях, причем значительные объемы поступают из грунтовых вод. ³⁴
• Обзор исследований, посвященных кризису цен на продовольствие в 2006-2008 гг., Показал, что рост сырья для биотоплива способствует росту цен на кукурузу на 20-50%. Ожидается, что изменение землепользования в результате ожидаемого увеличения спроса на биотопливо приведет к увеличению мировых цен на кукурузу и пшеницу примерно на 1-2% и цен на растительное масло примерно на 10%. ³⁵

Доля возделываемых земель и оросительной воды, необходимых для производства биотоплива, 2005 г. по сравнению с 2030 г.

³²

Решения и устойчивые действия

• Согласно Закону об энергетической независимости и безопасности 2007 года Стандарт возобновляемого топлива (RFS2) требует, чтобы к 2022 году производилось 36 миллиардов галлонов биотоплива в год: 16 баррелей в год из целлюлозных источников, 5 миллиардов галлонов в год из других источников. передовые источники и не более 15 баррелей кукурузного этанола в год.Также существуют стандарты жизненного цикла по парниковым газам, чтобы биотопливо производило меньше выбросов, чем его нефтяные аналоги. ³⁶
• Производители этанола, производители смесей и торговые посредники в США получили поддержку в виде ряда налоговых льгот, некоторые из которых были продлены в 2020 году. ³⁷
• Стандарты содержания топлива являются одним из вариантов политики, поощряющих использование биотоплива. Обычный бензин, продаваемый в Бразилии, должен содержать 27% этанола. ³⁸ В целом этанол составляет 52% транспортного топлива в Бразилии по сравнению с 10% в США.С. ^39,40
• В 2020 году Агентство по охране окружающей среды США и Национальное управление безопасности дорожного движения совместно издали правило более безопасной и доступной топливной эффективности (SAFE), устанавливающее новые стандарты выбросов парниковых газов и экономии топлива. Парки новых легковых и малотоннажных грузовиков от производителей автомобилей должны повышать эффективность на 1,5% ежегодно, достигнув 201 г CO ₂ на милю и 40,5 миль на галлон к 2030 году. ⁴¹
• Общественный транспорт, совместное использование автомобилей, езда на велосипеде и работа на дому — отличные способы снизить потребление энергии при транспортировке и связанные с этим последствия.См. CSS «Информационный бюллетень по личному транспорту» для получения дополнительной информации.

Экологические, экономические и энергетические затраты и выгоды биотоплива на основе биодизеля и этанола

Аннотация

Негативные экологические последствия использования ископаемого топлива и опасения по поводу поставок нефти стимулировали поиск возобновляемых видов транспортного биотоплива. Чтобы быть жизнеспособной альтернативой, биотопливо должно обеспечивать чистый прирост энергии, иметь экологические преимущества, быть экономически конкурентоспособным и производиться в больших количествах без сокращения запасов продовольствия.Мы используем эти критерии для оценки с помощью учета жизненного цикла этанола из кукурузного зерна и биодизеля из соевых бобов. Этанол дает на 25% больше энергии, чем энергия, вложенная в его производство, тогда как биодизельное топливо дает на 93% больше энергии. По сравнению с этанолом, биодизель высвобождает всего 1,0%, 8,3% и 13% сельскохозяйственных загрязняющих веществ азота, фосфора и пестицидов, соответственно, на чистый прирост энергии. По сравнению с ископаемым топливом, которое они вытесняют, выбросы парниковых газов сокращаются на 12% за счет производства и сжигания этанола и на 41% за счет биодизеля.Биодизель также выделяет меньше загрязнителей воздуха на чистый прирост энергии, чем этанол. Эти преимущества биодизеля перед этанолом связаны с меньшими затратами в сельском хозяйстве и более эффективным преобразованием исходного сырья в топливо. Ни одно из видов биотоплива не может заменить много нефти без ущерба для запасов продовольствия. Даже если направить все производство кукурузы и сои в США на производство биотоплива, можно удовлетворить только 12% спроса на бензин и 6% спроса на дизельное топливо. До недавнего повышения цен на нефть высокие производственные затраты делали биотопливо невыгодным без субсидий.Биодизель обеспечивает достаточные экологические преимущества, чтобы заслужить субсидию. Транспортное биотопливо, такое как синтетические углеводороды или целлюлозный этанол, если оно производится из биомассы с низким потреблением, выращенной на маргинальных сельскохозяйственных землях, или из отходов биомассы, может обеспечить гораздо большие запасы и экологические выгоды, чем биотопливо на основе пищевых продуктов.

Высокие цены на энергоносители, рост импорта энергоносителей, озабоченность по поводу поставок нефти и более широкое признание экологических последствий использования ископаемого топлива стимулировали интерес к транспортному биотопливу.Определение того, обеспечивают ли альтернативные виды топлива преимущества по сравнению с ископаемым топливом, которое они вытесняют, требует тщательного учета прямых и косвенных затрат и результатов для их полного жизненного цикла производства и использования. Здесь мы определяем чистые социальные выгоды от кукурузного зерна ( Zea mays ssp. mays ), этанола и соевого биодизеля ( Glycine max ), двух преобладающих альтернативных транспортных видов топлива в США, по сравнению с бензином и дизельным топливом, ископаемым топливом. вытеснить на рынке.Мы делаем это, используя текущие, хорошо обоснованные общедоступные данные об урожайности фермерских хозяйств, ценах на сырье и топливо, энергии и агрохимикатах, эффективности производственных предприятий, производстве побочных продуктов, выбросах парниковых газов (ПГ) и других воздействиях на окружающую среду.

Чтобы быть жизнеспособной заменой ископаемого топлива, альтернативное топливо должно не только иметь превосходные экологические преимущества по сравнению с ископаемым топливом, которое оно вытесняет, быть экономически конкурентоспособным с ним и производиться в достаточных количествах, чтобы оказывать существенное влияние на потребности в энергии. но он также должен обеспечивать чистый выигрыш в энергии по сравнению с источниками энергии, использованными для ее производства.Поэтому мы анализируем каждую отрасль биотоплива, включая фермы и производственные объекты, как если бы это была «островная экономика», которая является чистым экспортером энергии только в том случае, если энергетическая ценность биотоплива и его побочных продуктов превышает энергетическую ценность всех прямых и косвенных затрат энергии (см. Таблицы 1–6 и Вспомогательный текст , которые опубликованы в качестве вспомогательной информации на веб-сайте PNAS).

Производство биотоплива требует энергии для выращивания сельскохозяйственных культур и их преобразования в биотопливо. Мы оцениваем использование энергии фермами для производства кукурузы и сои, включая использование энергии для выращивания гибридных или сортовых семян, посаженных для выращивания урожая, питания сельскохозяйственной техники, производства сельскохозяйственной техники и зданий, производства удобрений и пестицидов, а также поддержки фермеров и их домохозяйств.Мы также оцениваем энергию, используемую для преобразования сельскохозяйственных культур в биотопливо, включая использование энергии при транспортировке урожая к объектам по производству биотоплива, строительстве и эксплуатации объектов по производству биотоплива, а также поддержанию здоровья рабочих производственных объектов и их домашних хозяйств. Продукция производства биотоплива включает само биотопливо и любые одновременно производимые побочные продукты. Для целей учета энергии мы присваиваем самим биотопливам энергосодержание, равное его доступной энергии при сгорании.Побочные продукты, такие как сухое зерно дистилляторов с растворимыми веществами (DDGS) из кукурузы и соевого шрота и глицерин из соевых бобов, обычно не сжигаются напрямую; скорее, мы присваиваем им значения эквивалента энергии.

Результаты

Баланс чистой энергии (NEB).

Несмотря на то, что мы используем обширные системные границы для энергозатрат, наш анализ показывает, что производство этанола из кукурузного зерна и биодизеля из сои приводит к положительным NEB (т.е.содержание энергии биотоплива превышает энергозатраты на ископаемое топливо) (рис.1; см. также таблицы 7 и 8, которые опубликованы в качестве вспомогательной информации на веб-сайте PNAS), которые подтверждают недавние выводы (1–5). Хотя в этих более ранних отчетах не учитывались все энергозатраты, включенные в наш анализ, недавние достижения в урожайности сельскохозяйственных культур и эффективности производства биотоплива, которые отражены в нашем анализе, по существу компенсировали влияние широких границ для учета энергии, которые у нас есть. использовал. Наши результаты противоречат утверждению о том, что расширение границ системы с целью включения энергетических затрат на производство сельскохозяйственной техники и перерабатывающих предприятий приводит к отрицательным значениям NEB для обоих видов биотоплива (6–8).Короче говоря, мы не находим поддержки утверждению, что для производства любого биотоплива требуется больше энергии, чем оно дает. Однако NEB для этанола из кукурузного зерна невелика, обеспечивая на ≈25% больше энергии, чем требуется для его производства. Почти весь этот NEB связан с энергетическим кредитом для его побочного продукта DDGS, который представляет собой корм для животных, а не с самим этанолом, содержащим больше энергии, чем используется для его производства. Этанол из кукурузного зерна имеет низкий NEB из-за больших затрат энергии, необходимых для производства кукурузы и ее преобразования в этанол.Напротив, соевый биодизель обеспечивает на ≈93% больше энергии, чем требуется для его производства. Преимущество NEB биодизельного топлива сои является устойчивым, проявляющимся в пяти различных методах учета энергетических кредитов побочных продуктов (см. Таблицу 9, которая опубликована в качестве вспомогательной информации на веб-сайте PNAS).

Рисунок 1.

NEB производства этанола из зерна кукурузы и биодизеля из сои.Входы и выходы энергии выражаются на единицу энергии биотоплива. Все девять категорий входов последовательно упорядочены в каждом наборе входов, как в легенде, но некоторые из них настолько малы, что их почти невозможно заметить. Маркируются отдельные входы и выходы ≥0,05; значения <0,05 можно найти в таблицах 7 и 8. NEB (выход энергии - вход энергии) и отношение NEB (выход энергии / вход энергии) каждого биотоплива представлены как для всего производственного процесса ( слева, ), так и для только биотопливо (т.е., за исключением кредитов на побочную энергию и энергии, выделенной на производство побочной продукции) ( Право ).

Влияние окружающей среды на жизненный цикл.

Производство кукурузы и сои оказывает негативное воздействие на окружающую среду из-за перемещения агрохимикатов, особенно азота (N), фосфора (P) и пестицидов, с ферм в другие места обитания и водоносные горизонты (9). Сельскохозяйственный N и P переносятся вымыванием и поверхностным стоком в поверхностные, грунтовые и прибрежные воды, вызывая эвтрофикацию, потерю биоразнообразия и повышенное содержание нитратов и нитритов в колодцах с питьевой водой (9, 10).Пестициды могут перемещаться аналогичным образом. Данные по агрохимическим ресурсам для кукурузы и сои и по эффективности чистого производства энергии из каждого исходного сырья показывают, что после разделения этих затрат между энергетическим продуктом и побочными продуктами биодизель использует на единицу полученной энергии только 1,0% от азота, 8,3%. фосфора и 13% пестицида (по весу), используемого для этанола из зерна кукурузы (рис. а ; см. также Таблицу 10, которая опубликована в качестве вспомогательной информации на веб-сайте PNAS).Заметно большие выбросы азота, фосфора и пестицидов из кукурузы на единицу прироста энергии имеют существенные экологические последствия, в том числе являются основным источником поступления азота, ведущего к «мертвой зоне» в Мексиканском заливе (11) и к остаткам нитратов, нитритов и пестицидов в колодезной воде. Более того, пестициды, используемые при выращивании кукурузы, имеют тенденцию быть более экологически вредными и стойкими, чем пестициды, используемые при выращивании сои (рис. 2). b и таблица 10). Хотя смешивание этанола с бензином в низких концентрациях в качестве оксигената может снизить выбросы окиси углерода (CO), летучих органических соединений (VOC) и твердых частиц с аэродинамическим диаметром ≤ 10 мкм (PM10) при сгорании, общие выбросы в течение жизненного цикла пять основных загрязнителей воздуха [CO, VOC, PM10, оксиды серы (SO _x ) и оксиды азота (NO _x )] выше в смеси этанол-бензин кукурузного зерна «E85», чем в бензине на единицу энергии, выделяющейся при сгорании (12).И наоборот, низкие уровни биодизеля, смешанного с дизельным топливом, сокращают выбросы ЛОС, CO, PM10 и SO _x при сгорании, а смеси биодизеля показывают сокращение выбросов в течение жизненного цикла трех из этих загрязнителей (CO, PM10 и SO _x ). ) относительно дизеля (5).

Рис. 2.

Воздействие на окружающую среду полного жизненного цикла производства и сжигания этанола из зерна кукурузы и биодизельного топлива из сои.( a и b ) Использование удобрений ( a ) и пестицидов ( b ) на единицу чистой энергии, полученной от производства биотоплива (Таблица 10). ( c ) Чистые выбросы ПГ (в эквиваленте CO ₂ ) во время производства и сжигания биотоплива и их традиционных аналогов по сравнению с энергией, выделяющейся при сжигании (Таблица 11).

Если CO ₂ от сжигания ископаемого топлива был единственным рассматриваемым парниковым газом, биотопливо с NEB> 1 должно сократить выбросы парниковых газов, потому что CO ₂ , высвобождаемый при сгорании топлива, был удален из атмосферы заводами, и меньше CO ₂ , чем это количество было высвобождено при производстве биотоплива.Однако внесение азотных удобрений и включение биомассы растений в почву может вызвать микробиологически опосредованное производство и высвобождение N ₂ O, который является мощным парниковым газом (13). Наш анализ (см. Таблицу 11, которая опубликована в качестве вспомогательной информации на веб-сайте PNAS) показывает, что из-за низкого NEB этанола из зерна кукурузы производство и использование этанола из зерна кукурузы высвобождает 88% чистых выбросов парниковых газов производства и сжигание энергетически эквивалентного количества бензина (рис. с ).Этот результат сопоставим с недавним исследованием, в котором этот параметр оценивался в 87% с использованием различных методов анализа (1). Напротив, мы обнаружили, что выбросы парниковых газов соевого биодизеля в течение жизненного цикла составляют 59% от выбросов дизельного топлива. Важно отметить, что эти оценки предполагают, что это биотопливо получают из сельскохозяйственных культур, собранных с земель, которые уже производятся; преобразование нетронутых экосистем в производство приведет к сокращению сбережений парниковых газов или даже к чистому выбросу парниковых газов в результате производства биотоплива.

Экономическая конкурентоспособность и чистые социальные выгоды.

Поскольку использование ископаемого топлива влечет за собой экологические издержки, не отражаемые в рыночных ценах, то, приносит ли биотопливо чистые выгоды для общества, зависит не только от его конкурентоспособности по затратам, но и от его экологических издержек и выгод по сравнению с альтернативными ископаемыми видами топлива. Субсидии на биотопливо, которое в остальном экономически неконкурентоспособное, оправдано, если его воздействие на окружающую среду в течение всего жизненного цикла значительно меньше, чем для альтернативных видов топлива. В 2005 году ни одно из видов биотоплива не было конкурентоспособным по стоимости с топливом на нефтяной основе без субсидий, учитывая текущие цены и технологии.В 2005 г. чистая себестоимость производства этанола составляла 0,46 доллара на литр энергетического эквивалента (EEL) бензина (14–16), в то время как оптовые цены на бензин в среднем составляли 0,44 доллара за литр (17). Расчетная стоимость производства биодизельного топлива из сои составляла 0,55 доллара за EEL дизельного топлива (16, 18), тогда как оптовые цены на дизельное топливо в среднем составляли 0,46 доллара за литр (17). Дальнейшее повышение цен на нефть выше средних цен 2005 года повысит конкурентоспособность биотоплива по стоимости. Однако производство биотоплива может быть прибыльным из-за крупных субсидий, даже если оно не является конкурентоспособным по стоимости.В США федеральное правительство предоставляет субсидии в размере 0,20 доллара на один EEL для этанола и 0,29 доллара на EEL для биодизеля (19). Спрос, особенно на этанол, также обусловлен законами и постановлениями, предписывающими смешивать биотопливо, по крайней мере, в определенной пропорции с нефтью. Производители этанола и биодизеля также получают выгоду от федеральных субсидий на урожай, которые снижают цены на кукурузу (которые составляют примерно половину операционных затрат производства этанола) и цены на сою.

Потенциальный U.С. Поставка.

В 2005 году 14,3% урожая кукурузы в США было переработано для производства 1,48 × 10 ¹⁰ литров этанола (20, 21), что энергетически эквивалентно 1,72% потребления бензина в США (22). Соевое масло, полученное из 1,5% урожая сои в США, произвело 2,56 × 10 ⁸ литров биодизеля (20, 23), что составляло 0,09% от потребления дизельного топлива в США (22). Посвящение всего производства кукурузы и сои в США в 2005 году этанолу и биодизелю компенсировало бы 12% и 6,0% спроса на бензин и дизельное топливо в США соответственно.Однако из-за ископаемой энергии, необходимой для производства этанола и биодизеля, это изменение обеспечит чистый прирост энергии, эквивалентный всего 2,4% и 2,9% потребления бензина и дизельного топлива в США соответственно. Достижение этих максимальных показателей биотоплива из кукурузы и соевых бобов маловероятно, поскольку эти культуры вносят основной вклад в снабжение людей продуктами питания за счет кормов для скота и прямого потребления (например, кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы и соевое масло, оба основных источника калорийности питания человека).

Обсуждение

Среди современных видов биотоплива на основе пищевых продуктов соевое биодизельное топливо имеет основные преимущества перед этанолом из кукурузного зерна. Биодизель обеспечивает на 93% больше полезной энергии, чем ископаемое топливо, необходимое для его производства, снижает выбросы парниковых газов на 41% по сравнению с дизельным топливом, снижает количество основных загрязнителей воздуха и оказывает минимальное воздействие на здоровье человека и окружающую среду за счет выбросов азота, фосфора и пестицидов. Этанол из кукурузного зерна дает меньшие преимущества за счет увеличения чистой энергии на 25% и снижения выбросов парниковых газов на 12%, а также оказывает большее воздействие на окружающую среду и здоровье человека из-за увеличения выбросов пяти загрязнителей воздуха, а также нитратов, нитритов и пестицидов.

Наш анализ этанола и биодизеля показывает, что в целом биотопливо принесло бы больше пользы, если бы его сырье для получения биомассы производилось с низкими затратами на сельское хозяйство (т. Е. С меньшими затратами на использование удобрений, пестицидов и энергии), производилось на землях с низкой сельскохозяйственной ценностью и требуется малозатратная энергия для преобразования сырья в биотопливо. Ни этанол из кукурузного зерна, ни биодизельное топливо сои не особенно хорошо справляются с первыми двумя критериями: кукуруза требует большого количества азота, фосфора и пестицидов, а кукуруза и соевые бобы требуют плодородных земель.Однако биодизельное топливо сои требует гораздо меньше энергии для преобразования биомассы в биотопливо, чем этанол из кукурузного зерна (рис.1), потому что соевые бобы создают длинноцепочечные триглицериды, которые легко экспрессируются из семян, тогда как при производстве этанола кукурузный крахмал должен подвергаться ферментативному превращению в сахара, дрожжевое брожение до спирта и перегонка. NEB (и, возможно, ценовая конкурентоспособность) обоих видов биотоплива можно улучшить за счет использования биомассы с низким потреблением энергии или сельскохозяйственных остатков, таких как кукурузная солома, вместо энергии ископаемого топлива в процессе преобразования биотоплива.

Непищевое сырье дает преимущества по этим трем энергетическим, экологическим и экономическим критериям. Просо ( Panicum virgatum ), разнообразные смеси прерийных трав и разнотравья (24, 25) и древесных растений, которые все можно превратить в синтетические углеводороды или целлюлозный этанол, можно производить на маргинальных сельскохозяйственных землях без каких-либо (24, 25) ) или низкое потребление удобрений, пестицидов и энергии. Что касается целлюлозного этанола, сжигание отработанной биомассы, такой как фракции лигнина из сырья биомассы, могло бы привести в действие заводы по переработке биотоплива.Хотя выигрыш может быть несколько ограничен более высокими требованиями к транспортной энергии, более высоким потреблением энергии для строительства более крупных и сложных заводов по производству этанола и, возможно, более высокими потребностями в рабочей силе, результирующие коэффициенты NEB могут по-прежнему составлять> 4,0 (26, 27), что является значительным улучшением по сравнению с кукурузой. зерновой этанол с коэффициентом NEB 1,25 и биодизельное топливо сои с коэффициентом NEB 1,93. Считается, что целлюлозный этанол может стать конкурентоспособным по стоимости с этанолом из кукурузного зерна за счет улучшенных предварительных обработок, ферментов и коэффициентов преобразования (28, 29).Соотношение NEB для комбинированного цикла синтетического топлива и электрической когенерации посредством газификации биомассы (30) должно быть таким же, как и для целлюлозного этанола, и может преобразовывать большую часть энергии биомассы в синтетическое топливо и электричество, чем это возможно с целлюлозным этанолом. В целом биотопливо с низким потреблением энергии может обеспечить гораздо более высокие коэффициенты NEB и гораздо меньшее воздействие на окружающую среду в расчете на чистый прирост энергии, чем биотопливо на основе пищевых продуктов.

Ожидается, что в ближайшие 50 лет мировой спрос на продукты питания удвоится (31), а глобальный спрос на транспортное топливо будет расти еще быстрее (32).Существует большая потребность в источниках возобновляемой энергии, которые не наносят значительного вреда окружающей среде и не конкурируют с поставками продуктов питания. Биотопливо на основе пищевых продуктов может удовлетворить лишь небольшую часть потребностей в энергии для транспорта. Энергосбережение и биотопливо, не связанное с пищевыми продуктами, вероятно, будут иметь гораздо большее значение в долгосрочной перспективе. Биотопливо, такое как синтетические углеводороды или целлюлозный этанол, которое может производиться на маргинальных сельскохозяйственных землях с минимальными затратами удобрений, пестицидов и ископаемой энергии или производиться из сельскохозяйственных остатков (33), потенциально может обеспечить запасы топлива с большей экологической выгодой, чем нефть или существующее биотопливо на основе пищевых продуктов.

Методы

Использование энергии в растениеводстве.

Мы используем данные Министерства сельского хозяйства США за 2002–2004 гг. По дозам удобрений, обработки почвы и пестицидов для выращивания кукурузы (таблица 1) и сои (таблица 2). Наши оценки энергии, необходимой для производства каждого из этих агрохимических ресурсов, получены из недавних исследований (2–7). Мы также оцениваем потребление энергии на гектар (га) для работы сельскохозяйственного оборудования, для производства этого оборудования и строительства зданий, используемых непосредственно в растениеводстве (Таблица 3), а также для выращивания гибридных (кукуруза) или сортовых (соевые бобы) посевных семян.Мы преобразуем эти оценки использования энергии на гектар в потребление энергии на литр биотоплива на основе эффективности преобразования урожая в биотопливо, равной 3632 л / га для этанола зерна кукурузы и 544 л / га для биодизельного топлива сои. Поскольку эта островная отрасль не может работать без рабочих, мы также оцениваем потребление энергии на литр биотоплива для содержания фермерских хозяйств (Таблица 4).

Использование энергии при преобразовании сельскохозяйственных культур в биотопливо.

Мы оцениваем энергию, используемую для строительства объектов, используемых для преобразования сельскохозяйственных культур в биотопливо (Таблица 6), транспортировки сельскохозяйственных культур на эти объекты, обеспечения питания этих объектов и транспортировки биотоплива к месту их конечного использования (Таблица 5).Как и в случае с сельскохозяйственным трудом, мы оцениваем энергию, потребляемую домашними хозяйствами промышленных рабочих (Таблица 4).

Выход энергии от производства биотоплива.

Выработка энергии при производстве биотоплива включает горючую энергию самого биотоплива и значения энергетического эквивалента для побочных продуктов, которые обычно используются не в качестве энергоносителей (Таблица 5). Мы назначаем кредиты на сопутствующие товары следующим образом. Для DDGS и глицерина мы используем метод «экономического замещения», посредством которого мы рассчитываем энергию, необходимую для производства продуктов, каждый из которых служит заменителем на рынке (т.е.е. кукурузный и соевый шрот для DDGS и синтетический глицерин для глицерина, полученного из соевых бобов). Для соевого шрота, который не имеет адекватного заменителя на рынке, исходя как из его доступности, так и из-за качества белка, мы оцениваем его энергетический кредит в побочных продуктах методом «массового распределения» как долю энергии, основанную на относительном весе соевых бобов. шрот на весь обработанный вес соевых бобов, используемый для выращивания соевых бобов и производства соевого шрота и масла. Мы также применяем альтернативные методы расчета кредитов на побочные продукты, включая выдачу значений энергии на основе калорийности и рыночной стоимости (Таблица 9).

Мы определяем NEB биотоплива путем вычитания стоимости всех затрат ископаемой энергии, используемых при производстве биотоплива, из энергетической ценности биотоплива и его побочных продуктов. Точно так же мы вычисляем коэффициент NEB путем деления суммы этих выходов на сумму входов.

Воздействие на окружающую среду.

При измерении воздействия каждого биотоплива на окружающую среду в течение жизненного цикла мы расширяем модель островной отрасли, чтобы включить общие чистые выбросы от сжигания биотоплива, а также от производства.Учитывая NEB каждого биотоплива и текущие нормы внесения удобрений и пестицидов, мы рассчитываем для каждого биотоплива количество каждого сельскохозяйственного сырья, применяемого на единицу энергии, полученной при производстве биотоплива (Таблица 10). Для наших оценок экономии парниковых газов при производстве и сжигании каждого биотоплива вместо ископаемого топлива мы сначала рассчитываем экономию парниковых газов за жизненный цикл от замещения ископаемого топлива (т. Е. За счет энергии, полученной при производстве биотоплива), а затем прибавляем к этому Сумма чистых выбросов парниковых газов на ферме.

Благодарности

Мы благодарим K. Bauer, K. Harpankar, D. Legvold, G. Koerbitz и D. Masterson за помощь, а также C. Umbanhowar, Jr., S. Suh и A. Keating за комментарии. Эта работа была поддержана грантами Инициативы по возобновляемой энергии и окружающей среде (SP и Д. Тилману), Медицинского института Говарда Хьюза (JH), гранта Национального научного фонда DEB-0080382 (Д. Тилману) и Фонда Буша. Фонд (Д. Тильман и С.П.).

Сноски

• ^§ Кому корреспонденция может быть адресована по адресу:
  Департамент экологии, эволюции и поведения, Университет Миннесоты, 1987 Верхний Буфорд-Серкл, Сент-Пол, Миннесота 55108.
  Эл. Почта: hill0408 {at} umn.edu или tilman {at} umn.edu

• Вклад авторов: Дж. Х., Д. Тилман и С. П. разработали исследование; J.H., E.N., D. Tilman, S.P. и D. Tiffany провели исследования; Дж.H., E.N., D. Tilman, S.P. и D. Tiffany проанализировали данные; и J.H., D. Tilman и S.P. написали статью.

• Заявление о конфликте интересов: о конфликте интересов не сообщалось.

• Сокращения:

  Сокращения:

  NEB,

  баланс чистой энергии;

  GHG,

  парниковый газ;

  EEL,

  литров в эквиваленте энергии;

  DDGS,

  сухое зерно дистилляторов с растворимыми веществами.

• © 2006 Национальная академия наук США

Факт 7: Вода и биотопливо

Факты и цифры

На глобальном уровне оросительная вода, используемая для производства биотоплива, оценивается в 2%

• Около 10% от общего количества энергии поступает из биомассы, и большая часть этого (80%) поступает из «традиционных» источников биомассы — древесины, навоза и растительных остатков.
• Около 5% биомассы используется для производства жидкого биотоплива для транспорта, что в настоящее время составляет менее 2% транспортной энергии во всем мире.
• Производство биоэтанола из сахарного тростника, кукурузы, сахарной свеклы, пшеницы и сорго утроилось в период с 2000 по 2007 год до примерно 77 миллиардов литров в 2008 году.
• Доля биодизеля на рынке дизельного топлива для транспортных средств оценивалась в 0,5% для США, 1,1% в Бразилии и 3,0% в Европейском союзе.
• Глобальный потенциал обычного биотоплива ограничен доступностью подходящей земли и воды для выращивания сельскохозяйственных культур и высокой стоимостью большинства традиционных технологий.Технически, к 2050 году может быть возможно производство до 20 экзаджоулей обычного этанола и биодизеля, что удовлетворяет 11% общего спроса на жидкое топливо в транспортном секторе.

  No related posts.