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

3.14.4. Получение биоэтанола

Формула С2 Н5 ОН. Молекулярный вес 46.1 С-52.1 %, Н2 -13.1 %, О2 -34.7 %, С/Н = 4, стехиометрическое отношение (воздух/этанол) = 9.0.

СЫРЬЕ: сахарная свекла, сахарный тростник, кукуруза, пшеница, картофель, сладкое сорго, касава, меласса, багасса. [3-13].

Таблица. 3–8. Производства спирта из разных культур с 1 га и стоимость 1 куб. м [13].

СЫРЬЕ ОБЪЕМ ПР-ВА СТОИМОСТЬ

т ЕтОН/га $ /куб. м

1. Сахарная свекла 2.5 – 3.0 300-400

(15 Евро/т)

2. Сахарный тростник 3.5 – 5.0 160 (best)

3. Кукуруза 2.5 250-400

4. Пшеница 0.5–2.0 380-400

5. Картофель 1.2–2.7 800-900

6. Сладкое сорго 3.0–5.0 200-300

7. Кассава 1.5–6.0 700

8. Синтетический спирт 540 (min)

9. ТБО 20 куб. м/т

Мировой рынок этанола [3-13].

1. БРАЗИЛИЯ – 160 Евро/1куб. м

2. БРАЗИЛИЯ (безводный спирт) – 220 Евро/1 куб. м

3. США (Безводный спирт) – 250 Евро/1 куб.м

4. ЕВРОПА (безводный спирт из сах. св.) – 350–450 Евро/1 куб. м

Импорт спирта в Европу- 190 Евро/1 куб. м

Мировая потенциальная потребность в этаноле два миллиарда тонн в год.[17].

Современное мировое производство 32 миллион тонн в год: пищевой этанол 4 млн. куб. м, для химической промышленности – 8 млн. куб. м, топливный этаноли – 20 млн куб. м)

7% этанола производят химическим синтезом, 93 % – брожением; 60 % получают из сахара, 40 % – из зерна.

Бразилия в 1999 г. производила 6.5 млн. куб. м в год, что обеспечивало 13 % ее общих потребностей в энергоресурсах и 19 % потребности в жидком топливе, что позволило сэкономить 35.6 млрд. $ US. Для ДВС используется 26 % этанола в смеси с бензином, для дизельных двигателей – 3 %.

Современное (2004) производство этанола в Бразилии составляет 13 млн. куб. м (сахарный тростник) при потреблении 12.6 млн. куб. м в год.

1 баррель спирта – 25 $ US; 1 баррель бензина – 35 $ US.

США – 2-я страна по производству этанола – 5.5 млн. куб. м в год (2003).

В США- 90 % этанола получают из кукурузы, 8 % – из сорго.[18].

В 2004 году производство этанола в США составило 10.5 млн. т. На эти цели было использовано 13 % урожая кукурузы.

В 2008 г. в США было произведено 37.8 млн. т/год [3-19].

В 2013 г. совокупное недельное производство составило 6,337 млн. т, что представляет собой рекордный объем, произведенный за неделю с июня 2013 года – то есть рекордный, по меньшей мере, с начала текущего сезона.(В год может составить 330 млн. т)[3-20]

В штате Калифорния введен запрет на использование метилтрет-бутилового эфира. 70 % бензина, используемого на Юге штата и 57 % – на Севере штата, смешиваются с этанолом.

Добавление 1 части этанола в бензин ведет к экономии 3 частей нефти. Спирт является единственным возобновляемым жидким источником топлива, использование которого в качестве добавок к бензину не требует изменения конструкции двигателей.

К 2012–2015 годам потребление этанола в США составит 15.8 млн. т.

Кроме кукурузы необходимо искать другие сырьевые источники, например, древесная целлюлоза-полимер глюкозы., или традиционные источники сахарозы и крахмала: сахарная свекла (меласса, свекольный жом), сахарный тростник (багасса), сладкое сорго, картофель, и. т. д.

В этом плане представляет интерес Европейский проект «Сладкое сорго».

С 1 гектара из сладкого сорго можно получить:

1. Багассы (сухой) – 15 тонн

2. Зерна 5 тонн

3. Сахара 7 тонн

4. Листьев 1.88 тонны

5. Корней 2.3 тонны

6. Этанола 3–5 куб. м

Прогноз по производству и потреблению спирта к 2020 году: Мир – производство 233.6 млн. т, потребление – 250 млн. т; 120 млн. тонн/год, США потребление – 92.5 млн. т; Бразилия, потребление – 44.8 млн. т; ЕС – 8.3 млн. т; Китай- 6.15 млн. т./год.

В Таблице 10 нами приведены расчеты, показывающие уменьшение использования бензина в США и Европе за счет потребления топливного этанола. Расчеты показывают, что США в 2009 году уменьшилось потребление бензина на 10 %, в ЕС – на 3 %, а в Германии – на 4.4 %.

Бензин и этанол – мировые перспективы.

Таблица. 3-10

Уменьшение использования бензина за счет потребления этанола в США, странах ЕС, в том числе Германии в 2009 году (млн. тонн) [3-57]

Как видно из Таблицы 11, в странах ЕС-27 не выполняется Директива ЕС 2003/30 относительно потребления топливного этанола. Исполнительная власть Евросоюза предложила членам этой региональной организации довести к 2020 году до 20 % долю возобновляемых источников энергии, сократить на 20 % к уровню 1990 года объемы вредных выбросов в атмосферу и снизить на 20 % общие энергетические затраты. Так называемый план "20-20-20" предусматривает также постепенный переход стран ЕС с 2013 года на систему продажи квот на выбросы CO2, что, к сожалению, в ЕС не выполняется.

Таблица. 3-11

Потребление этанола и бензина в ЕС-27 (млн. тонн в год) [3-57]

3.14.5. Другие виды биотоплив

3.13.5.1. Биоэтил-три-бутиловый эфир (BIO-ETBE)

Получается смешиванием биоэтанола – 48 % по объему и третичного бутанола с последующим нагреванием в присутствии катализаторов (октановое число – 112), используется в смеси с бензином для любых двигателей.

3.13.5.2. Биодизельное топливо. – продукт эритрификации растительных масел.

Мировое потребление дизельных топлив – 145 л/человека в год.

Современное производство биодизельного топлива [3-21]: Мировое – 1.7 млн. тонн/год, Европейский Союз -1.5 млн. тонн/год, Восточная Европа – 0.1 млн. тонн/год, США – 0.07 млн. тонн/год.

Прогноз – к 2020 году мировое производство биодизельного топлива может составить 23 млн. тонн.

В Европе для получения биодизельного топлива используется рапсовое масло (1–1.5 т/га).

Растительное масло эритрифицируется метанолом (1 тонна масла + 100 кг метанола + 100 кг глицерина), добавляется в количестве 5 % к дизельному топливу.

СОВРЕМЕННЫЕ ДИЗЕЛЬНЫЕ ДВИГАТЕЛИ МОГУТ РАБОТАТЬ НА 100 % БИОДИЗЕЛЬНОМ ТОПЛИВЕ.

3.13.5.3. Биометанол – может стать предпочтительным топливом для топливных элементов.

БИОМЕТАНОЛ получают из син- газа, или смеси Н2 и СО, получаемых из биомассы в присутствии О2. (Производство синтетического метанола составляет 27 млн. т/год)

3.13.5.4. Биометил-три-бутиловый эфир (BIO-MTBE) – аналогичен BIO-ETBE), получают смешивание биометанола (36 % по объема) и третичного бутанола при нагревании и катализаторах.

3.13.5.5. Биодиметил эфир (BIO-DME) – добавляется к дизельному топливу (2 %) для улучшения его качеств. Может получаться из син-газа или чистого метанола в присутствии алюмосодержащих катализаторов.

Биосинтетические топлива: широкий ряд чистых биосинтетических топлив может быть получен из «БИОСИНГАЗА», получаемого из биомассы, или из Водорода и Угарного газа по реакции Фишера-Тропша.

3.13.5.6. Биоводород.

Продукт переработки биомассы. Это превосходное чистое топливо, очень энергоёмкое (в 3 раза выше, чем нефть на единицу веса) и не дает углекислого газа в атмосферу в процессе сгорания, как все углеросодержащие топлива.

Известно несколько путей его получения:

1. Брожение сахаросодержащего или крахмалистого сырья (багассы, мелассы и т. д.)

2. Электролиз воды при использовании биоэлектричества. Это очень эффективный процесс, но стоимость инвестиций и стоимость получаемого водорода относительно высока (2000–3000 Евро/тонну водорода с 4,5 кВт час/куб. м водорода).

3. Каталитическим изменением биосингаза – смеси угарного газа/водорода, получаемых из твердой биомассы. Стоимость 1700 Евро/тонна через паровое преобразование угля/ пеллет, получаемых из биомассы (30 Евро/dT).

4. Разделением сингаза на мембранах.

5. Из водного раствора биоэтанола (99 % превращения – 75 % конверсии энергии).

6. Из биометанола через паровое реформирование.

3.13.5.6. Производство биогаза (см. подробнее во 2-й части).

3.15. Потенциальные возможности развития биоэнергетики в России и современное состояние

Ежегодное количество органических отходов по разным отраслям народного хозяйства России составляет более 270 млн. т. Сельскохозяйственное производство дает 200 млн. т, из них 66.5 млн. т приходится на животноводство и птицеводство, 126 млн. т – на растениеводство. Лесо- и деревопереработка дают 70 млн. т, твердые бытовые отходы городов – 16 млн. т, осадки коммунальных стоков – 4.9 млн. т (все приведенные значения даются на абсолютно сухое вещество по итогам исследований по заказу Института энергетической стратегии РФ. 2006 г. Панцхава Е.С.).

Приведенные ниже потенциальные возможности производства биотоплив в России рассчитаны на основании запасов того или иного вида сырья, мощности существующих или существовавших относительно недавно производств, а так-же современных достижений отечественной науки и техники.

3.15.1. Использование древесины

Россия может стать крупным экспортером древесной щепы и пеллет для Европы и других стран.

В России сосредоточена четвертая часть мировых запасов леса -82 миллиарда куб. метров или 41 млрд. тонн древесины. В мире таких ресурсов нет. Лес в России занимает 2/3 территории – 1,2 млрд га.