Синтетическое топливо из древесины: Топливо из древесины — журнал За рулем

Синтетическое топливо | это… Что такое Синтетическое топливо?

Сравнение синтетического топлива и обычного дизельного топлива. Синтетическое топливо заметно чище из за отсутствия серы и примесей

Образец биодизеля

Руины завода по производству синтетического бензина в Пёлиц, Померания (ныне Полице, Польша)

Синтетическое топливо — углеводородное топливо которое отличается от обычного топлива процессом производства, то есть получаемое путем переработки исходного материала, который до переработки имеет неподходящие для потребителя характеристики.

Как правило этот термин относится к жидкому топливу полученному из твердого топлива (угля, опилок, сланцев) либо из газообразного топлива. Такие процессы, как например процесс Фишера — Тропша, использовались государствами не имеющими доступа к жидкому топливу.

Содержание 1 История 2 Нетрадиционная нефть 3 Спирты 3. 1 Этанол 3.2 Метанол 3.3 Бутиловый спирт 4 Твердое и газообразное топливо 4.1 Диметиловый эфир 5 См. также 6 Литература 7 Примечания

История

NYMEX цены на нефть West Texas Intermediate

Во время Второй мировой войны Германия в значительной степени удовлетворяла свои нужды в топливе за счет создания производственных мощностей для переработки угля в жидкое топливо. Аналогично этому Южная Африка с теми же целями создала предприятие Sasol Limited, которое во времена Апартеида помогало экономике этого государства успешно функционировать несмотря на международные санкции.

В США производители такого топлива часто получают государственные субсидии и поэтому иногда такие компании производят «синтетическое топливо» путем смеси угля с биологическими отходами производства. Такие методы получения государственных субсидий подвергаются критике со стороны «зелёных», как пример злоупотребления корпорациями особенностей налоговой системы.

Синтетическое дизельное топливо, получаемое в Катаре из натурального газа, отличается низким содержанием серы и поэтому оно смешивается с обычным дизельным топливом для уменьшения в такой смеси уровня серы, что необходимо для маркетирования дизельного топлива в тех штатах США, где существуют особенно высокие требования к качеству топлива (например в Калифорнии).

Синтетическое жидкое топливо и газ из твердых горючих ископаемых производят сейчас в ограниченном масштабе. Дальнейшее расширение производства синтетического топлива сдерживается его высокой стоимостью, значительно превышающей стоимость топлива на основе нефти. Поэтому сейчас интенсивно ведется поиск новых экономичных технических решений в области синтетического топлива. Поиск направлен на упрощение известных процессов, в частности, на снижение давления при ожижении угля с 300—700 атмосфер до 100 атмосфер и ниже, увеличение производительности газогенераторов для переработки угля и горючих сланцев и также разработку новых катализаторов синтеза метанола и бензина на его основе.

Сейчас использование технологии Фишера – Тропша возможно лишь при устойчивых нефтяных ценах выше 50-55 долл. за баррель.^[1]

Нетрадиционная нефть

Природные битумы — это составная часть горючих ископаемых. Битумы содержат значительно больше водорода чем уголь и поэтому производство жидкого топлива из битума может быть гораздо проще и может стоить существенно меньше чем производство жидкого топлива методом Фишера — Тропша. Горючий сланец это полезное ископаемое из группы твёрдых каустобиолитов, дающее при сухой перегонке значительное количество смолы (близкой по составу к нефти). Битуминозные пески Ориноко (нефтеносные пески Ориноко) являются депозитами нетрадиционной нефти в виде горючих сланцев в районе реки Ориноко в Венесуэле, которая течет к венесуэльско-бразильской границе и впадает в Атлантический океан. Битуминозные пески Ориноко считаются одним из двух крупнейших месторождений нетрадиционной нефти (второе, Битуминозные пески Атабаски, расположенно в Канаде).

«По разным оценкам, в мировых запасах сланца содержится от 550 до 630 миллиардов тонн сланцевой смолы (искусственной нефти), то есть в 4 раза больше, чем все разведанные запасы натуральной нефти» Э. П. Волков, академик РАН. ^[2]

Общие потенциальные ресурсы горючих сланцев в мире оценены в 650 трлн т (26 трлн т сланцевой смолы). Основные ресурсы — около 430—450 трлн т (24-25 трлн т сланцевой смолы) сосредоточены в США (штаты Колорадо, Юта, Вайоминг) и связаны с формацией Грин-Ривер.

Спирты

В последнее время растет роль спиртов, как топлива (метанол — в топливных элементах, этанол и смеси с ним — в двигателях внутреннего сгорания).

Топливо	Плотность энергии	смесь воздуха с топливом	Удельная энергия смеси воздуха с топливом	Удельная теплота испарения	Октановое число (RON)	Октановое число (MON)
Бензин	32 МДж/л	14. 6	2.9 МДж/кг воздух	0.36 МДж/кг	91-99	81-89
Бутиловый спирт	29.2 МДж/л	11.1	3.2 МДж/кг воздух	0.43 МДж/кг	96	78
Этанол	19.6 МДж/л	9.0	3.0 МДж/кг воздух	0.92 МДж/кг	107	89
Метанол	16 МДж/л	6.4	3.1 МДж/кг воздух	1.2 МДж/кг	106	92

Этанол

Этанол может использоваться как топливо, в т. ч. для ракетных двигателей, двигателей внутреннего сгорания в чистом виде. Ограничено в силу своей гигроскопичности (отслаивается) используется в смеси с классическими нефтяными жидкими топливами. Применяется для выработки высококачественного топлива и компонента бензинов — Этил-трет-бутилового эфира, более независимого от ископаемой органики, чем МТБЭ.

Лидером в использовании биотоплива является Бразилия, обеспечивающая 40 % своих потребностей в топливе за счёт спирта^[4], благодаря высоким урожаям сахарного тростника и низкой стоимости рабочей силы. Биотопливо формально не приводит к выбросам парникового газа: в атмосферу возвращается углекислый газ (CO2), изъятый из неё в ходе фотосинтеза.

Однако резкий рост производства биотоплива требует больших территорий для посева растений. Эти территории или расчищаются путём сжигания лесов (что приводит к огромным выбросам углекислого газа в атмосферу), или за счёт фуражных и пищевых культур (что приводит к росту цен на продовольствие).^[5]

Кроме того, выращивание сельскохозяйственных культур требует больших затрат энергии. Для многих культур EROEI (отношение полученной к потраченной энергии) лишь немного превышает единицу или даже ниже её. Так, у кукурузы EROEI составляет всего 1,5. Вопреки распространённому мнению, это верно не для всех культур: так, у сахарного тростника коэффициент EROEI составляет 8, у пальмового масла 9.^[6]

Ежегодно на нашей планете образуется около 200 млрд т растительной целлюлозосодержащей биомассы. Биосинтез целлюлозы — самый крупномасштабный синтез в прошлом, настоящем и по крайней мере в ближайшем будущем. Но в связи с увеличивающимися потребностями человечества в ресурсах нельзя точно утверждать, что синтез целлюлозы будет самым масштабным и в будущем, например и через 50 лет. Для сравнения производство стали во всем мире на 2009 год составило 1,3 млрд т, а мировая добыча нефти на 2006 год составляла 3,8 млрд т в год.

По ориентировочным оценкам мировые разведанные запасы нефти примерно равны запасам древесины на нашей планете, однако ресурсы нефти быстро истощаются, в то время как в результате естественного прироста запасы древесины увеличиваются. Значительным резервом повышения ресурсов древесного сырья является увеличение выхода целевых продуктов из древесины. Переработка биомассы растительного сырья базируется в основном на сочетании химических и биохимических процессов. Гидролиз растительного сырья — наиболее перспективный метод химической переработки древесины, так как в сочетании с биотехнологическими процессами позволяет получать мономеры и синтетические смолы, топливо для двигателей внутреннего сгорания и разнообразные продукты для технических целей.

Общее производство биотоплива (биоэтанола и биодизеля) в 2005 году составило около 40 млрд л.

В марте 2007 года японские учёные предложили производить биотопливо из морских водорослей.^[7]

По мнению некоторых учёных, массовое использование двигателей на этаноле (не путать с биодизелем) увеличит концентрацию озона в атмосфере, что может привести к росту числа респираторных заболеваний и астмы.^[8]

Метанол

Низкий уровень примесей метанола может быть использован в топливе существующих транспортных средств с использованием надлежащих ингибиторов коррозии. Т. н. европейская директива качества топлива (European Fuel Quality Directive) позволяет использовать до 3 % метанола с равным количеством присадок в бензине, продаваемoм в Европе. Сегодня в Китае используется более 1000 миллионов галлонов метанола в год в качестве транспортного топлива в смесях низкого уровня, используемых в существующих транспортных средств, а также высокоуровневые смеси в транспортных средства, предназначенных для использование метанола в качестве топлива. Помимо применения метанола в качестве альтернативы бензина существует технология применения метанола для создания на его базе угольной суспензии, которая в США имеет коммерческое наименование «метакол» (methacoal^[9]). Такое топливо предлагается как альтернатива мазута широко используемого для отопления зданий (Топочный мазут). Такая суспензия в отличие от водоуглеродного топлива не требует специальных котлов и имеет более высокую энергоемкость. С экологической точки зрения такое топливо имеет меньший «углеродный след»^[10], чем традиционные варианты синтетического топлива получаемого из угля с использованием процессов, где часть угля сжигается во время производства жидкого топлива.

Бутиловый спирт

Может, но не обязательно должен, смешиваться с традиционными топливами. Энергия бутанола близка к энергии бензина. Бутанол может использоваться в топливных элементах, как сырьё для производства водорода.

В 2007 году в Великобритании начались продажи биобутанола в качестве добавки к бензину.

Твердое и газообразное топливо

В некоторых странах третьего мира дрова и древесный уголь до сих пор являются основным топливом доступным населению для отопления и готовки пищи (так живет около половины мирового населения) ^[11]. Это во многих случаях приводит к вырубке лесомассивов, что в свою очередь приводит к опустыниванию и эрозии почвы. Одним из способов уменьшения зависимости населения от источников древесины предлагается внедрение технологии брикетирования отходов сельского хозяйства или бытового мусора в топливные брикеты. Такие брикеты получают прессованием кашицы полученной смешиванием отходов с водой на несложном рычажном прессе с последующей сушкой. Такая технология однако очень трудоемка и предполагает наличие источника дешевой рабочей силы. Менее примитивным вариантом получения брикетов является использование для этого гидравлических прессовальных машин.

Некоторые газообразные топлива можно считать вариантами синтетического топлива, хотя такое определение может быть спорно поскольку двигатели используещие такое топливо нуждаются в серьёзной модификации. Одним из широко обсуждаемых вариантов уменьшения вклада автотранспортных средств в накопление углекислоты в атмосфере считается использование водорода в качестве топлива. Водородные двигатели не загрязняют окружающей среды и выделяют только водяной пар. В водородно-кислородных топливных элементах используется водород для непосредственного преобразования энергии химической реакции в электрическую. Поскольку водород необходимо получать с использованием либо электроэнергии либо окислением других углеводородных топлив, то экологические и тем более экономические преимущества такого топлива весьма спорны.

Полная статья Водородная энергетика.

Диметиловый эфир

Диметиловый эфир получ. дегидратацией метанола при 300—400 °C и 2-3 МПа в присутствии гетерогенных катализаторов — алюмосиликатов — степень превращения метанола в диметиловый эфир — 60 % или цеолитов — селективность процесса близка к 100 %.Диметиловый эфир — экологически чистое топливо без содержания серы, содержание оксидов азота в выхлопных газах на 90 % меньше, чем у бензина. Цетановое число диметилового дизеля более 55, при том что у классического нефтяного 38-53. Применение диметилового эфира не требует специальных фильтров, но необходима переделка систем питания (установка газобалонного оборудования, корректировка смесеобразования) и зажигания двигателя. Без переделки возможно применение на автомобилях с LPG-двигателями при 30 % содержании в топливе.

Теплота сгорания ДМЭ около 30 МДж/кг, у классических нефтяных топлив — около 42 МДж/кг. Одна из особенностей применения ДМЭ — его более высокая окисляющая способность (благодаря содержанию кислорода), чем у классического топлива.

В июле 2006 года Национальная Комиссия Развития и Реформ (NDRC) (Китай) приняла стандарт использования диметилового эфира в качестве топлива. Китайское правительство будет поддерживать развитие диметилового эфира, как возможную альтернативу дизельному топливу. В ближайшие 5 лет Китай планирует производить 5-10 млн тонн диметилового эфира в год.

Автомобили с двигателями, работающими на диметиловом эфире разрабатывают KAMAZ, Volvo, Nissan и китайская компания Shanghai Automotive.

См. также

• Экономика метанола — гипотетическая энергетическая экономика будущего, при которой ископаемое топливо будет заменено метанолом.
• Топливо из угля
• Сухая перегонка
• GTL (англ. Gas-to-liquids — газ в жидкости) — процесс преобразования природного газа в высококачественные, не содержащие серу моторные топлива и другие, более тяжёлые, углеводородные продукты.
• Гидролизное производство
• Биотопливо
• Глобальная энергия
• Royal Dutch Shell-Основные проекты
• Солнечная печь — представляет собой простейшее устройство для использования солнечного света для приготовления пищи без использования топлива или электроэнергии

Литература

• НЕФТЬ И АВТОСТРОЕНИЕ — Спирт и продукты оргсинтеза
• Процесс производства топливных брикетов на экструдере ЕВ-350
• Топливные древесные брикеты как альтернатива другим видам твердого топлива

Примечания

1. ↑ Важной проблемой при производстве синтетического топлива является и высокое потребление воды, уровень которого составляет от 5 до 7 галлонов на каждый галлон полученного топлива.
2. ↑ Э. П. ВОЛКОВ
3. ↑ Internal Combustion Engines, Edward F. Obert, 1973
4. ↑ Коммерческая биотехнология | Спирт вместо бензина: бразильский эксперимент
5. ↑ От биотоплива пока больше вреда, чем пользы // Алексей Гиляров
6. ↑ http://www.worldwatch.org/system/files/EBF008_1.pdf
7. ↑ Морские водоросли в качестве биологического топлива 22 марта группа японских ученых опубликовала детали плана по массовому производству этанола из культивируемых морских водор …
8. ↑ Авто@Mail.Ru
9. ↑ Energy Citations Database (ECD) — — Document #6329346
10. ↑ en:Carbon footprint
11. ↑ YouTube — Fuel Briquettes

Жидкое топливо — не только из нефти и рапса, но и из дерева » PromWood » Утилизация отходов » Биотопливо : Вопросы использования альтернативного сырья для производства жидкого топлива для Украины весьма актуальны: собственной деревина

Именно поэтому в правительственных кругах активно обсуждалась проблема производства горючего из сельскохозяйственной культуры — рапса. Существует и еще один источник — это отходы лесопиления, деревообработки и целлюлозы-бумажного производства, в соответствующий способ можно зриджуваты, вследствие чего получать ценную химическое сырье и жидкое топливо.

Собственно, производство древесного спирта, на котором сейчас работают автомобили или не всей Бразилии, имеет давнюю историю. По некоторым данным, еще в 1887 году начали его производство в компании немецкого химика Эрнста Шеринга и использовали в парфюмерной и фармацевтической отраслях.

Основной компонент любого жидкого топлива — этанол. Именно его наличие в древесине и вызвала немалый интерес исследователей. К активизации их работы в конце 70-х годов прошлого века побудила энергетический кризис, обусловленная резким подорожанием нефти.

Фирмы США разрабатывают непрерывный процесс гидролиза измельченной сырья, содержит целлюлозу, применяя серную кислоту. Этанол, образующийся при ферментации сахаров, имеет одинаковую с бензином стоимость.

Жидкое биотопливо может быть использовано как дополнение к нефтяного топлива или частично заменить его.

Продукты, полученные при сжижения древесины, распределяются между водной и органической фазами. Последняя представляет собой елей и может рассматриваться как синтетическое топливо. Она содержит мало азота и серы и одновременно, по сравнению с нефтяным топливом, имеет большее содержание кислорода. Древесные масла содержат до 30% фенольных производных, до 4% легких кислотомиских соединений, менее 1% С7-С8-алкенов и С1-С4-алкибензолив. Другие тяжелые компоненты представлены нафтолом, метилированного нафтолом, дибензофуранов т.д.

Состав продуктов зависит от условий процесса и типа древесины, поскольку соотношение древесных компонентов (лигнина, целлюлозы, гемицеллюлозы) в разных пород не одинаково.

Исследовательские работы по сжижению древесины для получения жидкого топлива начались в конце 20-х годов прошлого века в странах, не имеющих собственных запасов нефти, — Германии, Англии, Швеции. Было доказано, что при обработке древесины органическими растворителями при повышенных температурах и давлении можно достичь полного или значительного преобразования ее в жидкие продукты.

Эффективность сжижения повышается в среде водорода в присутствии катализаторов гидрирования. Согласно немецким патентом от 1930 года полученным фирмой I. G. Farbenindustrie, при обработке еловой древесины этанолом и бензолом (1:1) при 280 Со и давлении до 16 МПа получено 54% жидких продуктов, растворенных в смеси спирта и бензола. Остаток составляет 17% от массы древесины.

Шведские биохимики Бергстрем и Цедерквист в 1933 году доказали, что при обработке в креозотовий фракции древесной смолы (температура выкипания — 200-255 Со) вся древесина переходит в жидкие продукты даже без применения катализаторов.

Российские ученые Козлов и Королева, исследуя в 1949 году процесс растворения опилок сосны и ели в различных растворителях, установили, что при постепенном нагревании древесины до 300 ° С (конечное давление в пределах 14 МПа) в сложной смеси, содержащей 35% бензола, 35 % этанола, 10% смоляных масел и 20% жидких продуктов растворения древесины, древесина растворяется полностью.

Сейчас термохимические сжижения древесины рассматривается как реальный перспективный способ получения жидкого топлива — заменителя нефтепродуктов. Многие ученые занимаются решением данной проблемы. Так, научный коллектив в составе Игер, Эллиота, Ога и Йогокамы разрабатывает способы сжижения древесины и ее субстратов путем обработки их растворами карбонатов щелочных металлов и монооксидом углерода и (или) водорода Выбор воды обусловлен тем, что полное сушки древесины является сложным и не экономическим , и она всегда будет присутствовать в реакционной массе, даже если не станет образовываться в процессе сжижения.
Другая группа разрабатывает способы каталитического гидрирования водных суспензий древесины с использованием металлических катализаторов. Из них наиболее известен так называемый PERC / ALBANY-процесс (или СО-процесс), который разрабатывается Питтсбургский энергетическим исследовательским центром (США).

По способу, разработанному упомянутым центром, древесину смешивают с рециркулюючою елеем добавляют около 5 частиц катализатора (5%-й водный раствор карбоната натрия) на 100 долей смеси и обрабатывают в среде монооксида углерода и водорода при 340-350 Со. Твердый остаток, который не растворился, направляют на газификацию. Неконденсируемых газы от процесса сжижения присоединяются к газогенераторного газа, очищается и направляется вместо монооксида углерода на стадию сжижения древесины. Выход масла с теплотворной способностью 29-33 МДж / кг составляет 70%.

Изучалось сжижения древесины путем ее обработки синтез-газом в этаноле, циклогексаноли, толуопи и терпинтинний елеем в присутствии металлизированных катализаторов (пентакарбонилу железа, оксида железа и т.п.). Выход масла, в условиях температуры до 230 Со, давления 6,5 кПа, в зависимости от соотношения Н2: СО, колеблется в пределах 4,5 — 32% от древесины. Масла для использования в качестве моторного топлива должны пройти гидрокрекинг.

В центре провели наблюдения над процессом сжижения древесины путем ее обработки водно-фенольной смесью в среде азота или кислорода в присутствии катализаторов. В типичном опыте 2,5 г древесины, 10 г фенола, 13,5 г воды и 0,8 реагентов обрабатывали при 350 Со под давлением 4 МПа в течение 40 минут. Сжижения целом завершилось за несколько минут. Состав нейтральных веществ не зависит от срока обработки, при температуре ниже 350 ° С сопровождается вуглеутворенням, поэтому срок прогрева до заданной темпаратуры необходимо сводить к минимуму.

В новом способе сжижения древесину высушенного бука нагревают при 523 — 603о К (250 — 330 Со) в течение 5 — 15 мин. В безводном глицерине с щелочным катализатором (карбонат натрия, гидрооксид калия, оксид кальция) при соотношении древесина / катализатор как 1 / 0 ,5-1, 5. Древесина полностью превращается в жидкие и газообразные продукты, частично растворимы.

В университете Шербрук (Канада) исследовали процесс пиролизу древесины тополя при температуре, равной или несколько большей 350 Со, под вакуумом. На основании полученных данных проектируется напивнеперервна установка производительностью 1 — 2 кг сырья в час для получения жидкого топлива и потенциальной химического сырья (на основе смолы.

Проблему получения жидкого топлива из отходов древесины можно разрешить на промышленном уровне. Многие страны, ограниченных в запасах нефти, одновременно имея излишки биомассы, давно пришли к подобному заключению. Современные цены на нефть побуждают к производству сжиженного топлива. При этом можно получить карбюраторные и дизельное топливо с более высоким октановым числом, чем при использовании добавок.

краткое описание, краткая характеристика, показатели, способы производства

Наука и прогресс позволяют создавать невиданные ранее вещи, о которых многие и помыслить не могли. Взять, к примеру, такую относительно новую разработку, как синтетический бензин. Многим известно, что это топливо получается путем перегонки из нефти. Но ведь его можно синтезировать еще из угля, дерева, природного газа. Производство синтетического бензина хотя и не может в полном объеме заменить обычный путь получения, но все же заслуживает того, чтобы изучить тему. Поэтому будет рассмотрена его история, а также способы получения.

Вводная информация

Сложно представить современную цивилизацию без моторного топлива – дизеля, керосина, бензина. На них работают автомобили, самолеты, ракеты, водный транспорт. Но количество нефти в недрах ограничено. Еще не так давно считалось, что человечество скоро неизбежно столкнется с нехваткой горючего. Но оказалось, что не все так печально. Разрабатываются новые технологии, позволяющие добывать трудноизвлекаемые запасы, появляются альтернативные варианты. Можно упомянуть и о зеленой энергетике, и повышении эффективности использования ресурсов (современные малолитражки спокойно обходятся 4-6 литрами горючего на сто километров, хотя еще в начале нашего тысячелетия требовали около 10). Да и высококачественное топливо, как оказалось, можно получать из различного не нефтяного сырья.

Как все начиналось?

Необходимо начать с событий, происходивших больше, чем 150 лет назад. Именно тогда началась промышленная добыча нефти. С тех пор человечество израсходовало больше половины так называемого легкого сырья. Первоначально нефть использовалась как источник тепловой энергии. В наше время такой подход экономически не выгоден. Когда наступила автомобильная эра, то продукты фракционирования нефти получили распространение в роли моторного топлива. При этом, чем больше истощались запасы сырья, тем рентабельней становилось искать альтернативу.

Что такое нефть? Это смесь углеводородов, а если говорить конкретнее – циклоалканов. Что они собой представляют? Самый простой алкан известен многим как газ метан. Кроме этого, в нефти есть еще азотистые и сернистые примеси. И если ее правильно обработать, то можно получить множество различных материалов. Например, взять хорошо известный бензин. Что он собой представляет? По сути, это легкокипящая фракция нефти, формирующаяся короткоцепочечными углеводородами с количеством атомов от пяти до девяти. Бензин является основным видом топлива для легковых автомобилей, а также небольших самолетов. Следующий выделенный тип – керосин. Он более вязок и тяжелый. Формируется из углеводородов, в которых присутствует от 10 до 16 атомов. Используется керосин в реактивных самолетах и двигателях. Еще более тяжелой фракцией является газойль. Он используется в дизельном топливе, которое являет собой его смесь с керосином.

Научные поиски альтернативы

Хотя основные фракции и получают из нефти, оказалось, что можно для этой цели использовать и другое углеродное сырье. Эта задача была решена химиками еще в 1926 году. Тогда ученые Фишер и Тропш открыли реакцию восстановления монооксида углерода в условиях атмосферного давления. Было выяснено, что в присутствии катализаторов из газовой смеси можно создавать жидкие и твердые углеводороды. По своему химическому составу они были близки к продуктам, получаемым из нефти. Результат химических изысканий получил название «синтез-газ». Получался он довольно легко. Настолько, что может быть повторен в домашних условиях любым человеком, который не прогуливал в школе химию и физику. Получали его благодаря пропусканию водного пара над углем (это его газификация) или путем конверсии обычного природного газа (он состоит, в основном, из метана). Во втором случае дополнительно еще использовались металлические катализаторы. Следует отметить, что синтез-газ можно создавать не только из метана и угля. Перспективным направлением сейчас считается работа над ферментативной и термохимической переработкой отходов растительного сырья. Не следует забывать также и о конверсии биогаза, то есть, летучих веществ, полученных благодаря разложению органических отходов.

Как развивалось применение?

Отличилась в этом плане нацистская Германия. Во время Второй мировой войны у нее были существенные проблемы в плане снабжения топливом. Поэтому были созданы целые комплексы, которые перерабатывали уголь в жидкое топливо. И синтетический бензин третьего рейха внес свой существенный вклад, довольно сильно отстрочив падение этого ужасного государства. Тогда использовался метод химического сжижения угля до тех пор, пока не получалось пиролизное топливо. К концу войны нацистской Германии удалось выйти на уровень в 100 тысяч баррелей синтетической нефти в день. В более привычных мерах это больше 130 тонн! Использование угля является целесообразным благодаря близкому химического составу. Так, в нем содержание водорода 8% тогда, как в нефти 15%. Если создать определенный температурный режим и насыщать уголь водородом в значительном объеме, то он перейдет в жидкое состояние. Этот процесс называет гидрогенизацией. К тому же, его можно ускорить и увеличить объемы, если использовать катализаторы: железо, олово, никель, молибден, алюминий и множество иных. Все это позволяет выделять различные фракции и использовать их для дальнейшей переработки.

Синтетический бензин в Германии производят и сейчас. После Второй мировой войны ее примеру последовала Южно-Африканская республика. Затем начали подключаться Китай, Австралия и США. Следует отметить, что и у нас есть потенциал для развития данной области.

О падении и взлете

В Советском Союзе еще до начала Второй мировой войны шли поиски возможной добычи бензина из бурого угля. Но, увы, получить результаты, пригодные для промышленного производства, не получилось. После окончаний конфликта цена на нефть упала, а вместе с ней отпала и потребность в синтетическом топливе. Теперь из-за уменьшения нефтяных запасов эта сфера переживает второе рождение. Производство синтетического бензина становится все более распространенным, часто встречает поддержку со стороны государства. К примеру, в США производители подобного топлива могут рассчитывать на государственные субсидии. Несмотря на все предпосылки, жидкое топливо производят в ограниченном масштабе. Дело в том, что расширение существующих мощностей ограничено высокой стоимость, которая значительно превышает то, что получается из обычного сырья. К примеру, синтетический бензин в Германии умеют делать из воды и углекислого газа, вот только за год он обойдется в новый автомобиль. И все из-за дороговизны установки. Главное направление работы – это поиск экономических технических решений. Например, открыт вопрос снижения давления для ожижения угля. Сейчас необходимо создавать 300-700 атмосфер, а поиск ведется для достижения значения в 100 и ниже. Также актуальны вопросы увеличения производительности генераторов, разработки новых катализаторов (более эффективных). Да, и не следует забывать о том, что качественного природного угля не так уж и много. Поэтому более перспективным считается его получение из газа. Какие здесь есть возможности?

Получение из природного газа

Этот особенно актуально в силу существующих транспортных проблем. Так, если перевозить природный газ, то траты на это будут составлять 30-50% от стоимости конечного продукта. Поэтому весьма актуальной является его переработка сразу же около место добычи в высококачественный бензин и дизельное топливо. Это выдвигает ряд требований к компактности установок. Если получать конечные продукты через стадию метанола, то такой процесс удобен благодаря тому, что происходит в одном реакторе. Но требуется много энергии, из-за чего синтетическое топливо получается дороже нефтяного в два раза. Альтернативу этому распространенному способу предложил Институт нефтехимического синтеза РАН. Он предполагает работу с другим промежуточным веществом – диметиловым эфиром. Работать таким образом не сложно, если увеличить долю окиси углерода в получаемом синтез-газе. Получение синтетического бензина в данном случае является дополнительно и довольно экологическим топливом. Особенно оно хорошо проявило себя при запуске холодных двигателей благодаря высокому цетановому числу. И для производства бензина этот вариант неплох. Так, можно сделать топливо с октановым числом 92. Синтетический бензин из природного газа при этом обладает меньшим количеством вредных примесей, нежели те, что можно найти в сделанном из нефти. Предложенная РАН установка предлагает схему работы, согласно которой, чем выше температура реакции, тем больше производительность.

А можно ли сделать это все своими руками?

Несмотря на то, что альтернативная энергетика считается относительно молодой наукой, повторить ее достижения в рамках одного домохозяйства – не проблема. Поэтому, да, создать синтетический бензин своими руками вполне возможно. Более того, учитывая специфику условий, в которых приходится существовать, есть возможность сделать ставку на древесину, уголь и биогаз. Кому из них отдать предпочтение в домашней обстановке – каждый решает сам.

Как наиболее простой, самым актуальным является вопрос того, как добыть своими руками синтетический бензин из древесины. Многие рассматривают ее исключительно как строительный материал или сырье для игрушек. Но стоит вспомнить хотя бы древесный спирт, и становится понятно, что потенциал существует. Как же получить синтез-газ в этом случае? Необходимо взять древесину (или ее отходы, что именно – не принципиально). В домашних условиях можно сделать устройство из трех частей, каждая из которых будет выполнять свою функцию. Первоначально необходимо обеспечить их сушку и нагревание до температуры в 250-300 градусов по Цельсию. Затем приходит черед пиролиза. Здесь температура должна вырасти до 700 градусов. И завершающий этап – газогенерация. На нем запускается паровой риформинг. Процесс протекает при температуре в 700-1000 градусов. В результате получается весьма чистый синтез-газ. Дополнительного вмешательства не требуется. Далее используем катализаторы, и синтетический бензин готов!

Делаем из угля

И еще один маленький момент, о котором не было упомянуто раньше, – при работе в домашних условиях установки, наверняка, будут получаться довольно большими. Поэтому размещать их в квартире не рекомендуется. А вот создать их в собственном доме или около него – дело вполне реальное.

Синтетический бензин может быть получен из угля в результате влияния пара. Его газификация – это самый простой и реализуемый способ для домашних условий. Итак, приступим. Первоначально для большей эффективности работы и увеличения скорости протекания процесса уголь необходимо измельчить. Затем осуществляется его насыщение водородом. Затем необходимо создать температуру в 400-500 градусов по Цельсию и давление в 50-300 кг/см². И ждем момента перехода в жидкое состояние. Если не используется растворитель, то таким станет только 5-8% от всей массы угля. Затем приходит черед катализаторов. Для угля подходит: молибден, никель, кобальт, олово, алюминий, железо, а также их соединения. Для газификации можно использовать любой вид сырья. Бурый, каменный – все подойдет. Хотя его качество влияет на эффективность преобразования. Ранее приводилось обозначение количества углеродов и называлась цифра в 8%. Это не совсем верно. Зависимо от марки и качества, значение может колебаться от 4% до 8%. А для минимальной пригодности последующей обработки и выделения бензина необходимо добиться значения в 11% (лучше 15%). Первоначально, не факт, что все будет получаться. Особенно, если прогуливались уроки по физике и химии. Тем не менее синтетический бензин из угля можно успешно делать и использовать.

Работа с биогазом

Это довольно необычный и экстравагантный подход, тем не менее он работает. Прелесть его еще и в том, что он как топливо обладает более широким применением, нежели просто синтетический бензин. Правда, места занимает много. Так, к примеру, один кубический метр биогаза эквивалентен 0,6 литра бензина. Если использовать его не в сжатом состоянии, то даже взяв под завязку на грузовой автомобиль, не получиться проехать больше сотни-второй километров. Поэтому, как же синтезировать с него желаемый бензин? Это возможно благодаря тому, что он, по сути, является метаном с небольшими примесями. То есть практически то, что нужно. А вот синтез – это дело проблематичное. Ведь здесь что-то новое и одновременно простое не изобрели. То есть, приходится работать над созданием синтез-газа, а уже из него обеспечивать формирование бензина. Делается это (по наиболее распространенной схеме) через посредство метанола. Хотя можно работать и через диметиловый эфир. Если говорить о метаноле, то всегда необходимо помнить о том, что он чрезвычайно опасен. Усложняется ситуация тем, что он имеет запах спирта, а температуру кипения в 65 градусов по Цельсию. Вообще, работа с синтезом топлива – это не детская прогулка. Поэтому, не лишним будет подучить химию и физику, если этих знаний нет. Если вкратце – то синтетический бензин получается благодаря перегонке газа и конденсатору. Этот способ не быстр, но, если есть хорошая теоретическая подготовка – не сложен. Но без знаний работать не рекомендуется. Ведь чистый метанол – это самое высокооктановое топливо, поэтому опасное. Да и не «переварит» его двигатель обычной машины – не рассчитан на это.

Заключение

Вот и рассмотрено, как получить синтетическое топливо. Следует отметить, что это не игрушки, а огнеопасное занятие. Поэтому без должной теоретической подготовки заниматься таким делом не следует. Ведь это будет прямым нарушением правил безопасности. А они, следует помнить, всегда пишутся кровью.

Производство возобновляемого газа из древесных отходов

Мартин Гейдельбергер, Технологический институт Карлсруэ

Основные компоненты установки: сотовые катализаторы превращают водород и монооксид углерода в метан и воду. Кредит: Андреас Шпигель

Исследователям KIT удалось получить возобновляемый метан из смеси синтез-газа на основе биомассы на своей экспериментальной установке для сотового метанирования. Качество этого синтетического природного газа (СПГ) сравнимо с качеством ископаемого природного газа, и его можно использовать в качестве топлива в когенерационных и тепловых установках, а также в легковых и грузовых автомобилях. Пилотная установка была спроектирована и испытана исследователями Технологического института Карлсруэ (KIT) и Исследовательского центра Немецкой научно-технической ассоциации газа и воды (DVGW).

Тепло и мобильность по-прежнему в основном основаны на ископаемых источниках. Однако для будущего устойчивого и экологически безопасного энергоснабжения в этих секторах также подходят химические энергоносители из возобновляемых источников, такие как биогаз или SNG, считают эксперты.

«Химические энергоносители обладают высокой плотностью энергии и особенно привлекательны для сектора мобильности», — говорит Феликс Ортлофф, руководитель группы «Инжиниринг процессов» исследовательского центра DVGW в Институте Энглера-Бунте (EBI) KIT.

Биогазовые установки производят возобновляемый газ в основном путем ферментации биологических отходов. В странах с крупным лесным сектором, таких как Финляндия или Швеция, существует высокий потенциал производства СПГ из древесных отходов. С помощью газификации биомассы производится синтез-газ, который в основном состоит из водорода, монооксида углерода и диоксида углерода. Эта смесь затем может быть преобразована в высококачественный метан путем метанирования. Исследователи из Института Энглера-Бунте КИТ и Исследовательского центра DVGW в течение нескольких недель успешно тестировали высокоэффективный процесс метанирования в городе Кепинг, Швеция.

Основными компонентами установки являются сотовые катализаторы, которые были разработаны и оптимизированы для использования группой «Каталитическая конверсия топлива» отдела химии и технологии топлива EBI (EBI ceb), возглавляемой Зигфридом Байором. «В одностадийном процессе металлические никелевые катализаторы превращают водород и монооксид углерода, а в случае достаточного количества водорода также и диоксид углерода в метан и воду», — говорит Зигфрид Байор.

Пилотная установка метанирования в Кёпинге, Швеция. Кредит: Феликс Ортлофф

Пилотная установка контейнерной конструкции была соединена с газификатором биомассы, который подает углеродосодержащие газы, необходимые для химической реакции. В рамках этого комплекса установка метанирования КИТ надежно преобразовывала синтез-газ в метан в течение нескольких недель. «Производимый синтетический метан затем использовался в качестве топлива в транспортных средствах, работающих на природном газе, нашего шведского партнера по проекту Cortus AB», — добавляет Байор.

«Помимо использования в транспортных средствах, работающих на природном газе, метан также можно подавать в существующую европейскую газовую инфраструктуру», — говорит Феликс Ортлофф, EBI. По мнению ученых, уже сегодня метан может заменить ископаемый природный газ во многих областях применения.

«Кроме того, эту технологию можно также применять в контексте преобразования энергии в газ», — добавляет Ортлофф. В этом случае вода расщепляется на водород и кислород путем электролиза с использованием возобновляемой электрической энергии. Затем водород реагирует с углекислым газом с образованием синтетического метана. Помимо снижения нагрузки на электрические сети, исследователи считают выгодной интеграцию установок по газификации биогаза или биомассы в концепции преобразования энергии в газ. Производственная мощность установок может быть удвоена, так как углекислый газ, образующийся при производстве биогаза, полностью превращается в метан.

«Наша экспериментальная установка отличается очень компактной конструкцией и, следовательно, высокой мобильностью, — говорит Ортлофф. «При установке в грузовой контейнер его можно тестировать в любом месте на удаленных биогазовых установках, в сельской местности или в сочетании с другими источниками CO ₂ , которые могут быть актуальны в будущем, например, в различных промышленных процессах», — говорит он.

После эксплуатации в Швеции пилотная установка возвращается в Карлсруэ. «Завод будет интегрирован в инфраструктуру Energy Lab 2.0 в северном кампусе KIT. Мы хотим еще больше улучшить сотовое метанирование и оптимизировать катализаторы для использования на гораздо более крупных объектах», — говорит Зигфрид Байор, научный координатор пилотной установки.

---

Узнайте больше

Гибкое производство метана из электричества и биомассы

---

Дополнительная информация: Для получения дополнительной информации посетите сайт www.storeandgo.info/
www.elab2.kit.edu/113.php

Предоставлено Технологический институт Карлсруэ

Цитата : Производство возобновляемого газа из древесных отходов (2018, 8 октября) получено 8 октября 2022 г. с https://phys.org/news/2018-10-production-renewable-gas-wood.html

Этот документ защищен авторским правом. Помимо любой добросовестной сделки с целью частного изучения или исследования, никакие часть может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.

энергия биомассы | Национальное географическое общество

Люди использовали энергию биомассы — энергию живых существ — с тех пор, как самые ранние «пещерные люди» впервые развели дрова для приготовления пищи или согревания.

Биомасса является органической, т. е. состоит из материала, полученного из живых организмов, таких как растения и животные. Наиболее распространенными материалами биомассы, используемыми для производства энергии, являются растения, древесина и отходы. Они называются исходным сырьем биомассы. Энергия биомассы также может быть невозобновляемым источником энергии.

Биомасса содержит энергию, впервые полученную от солнца: растения поглощают солнечную энергию посредством фотосинтеза и превращают углекислый газ и воду в питательные вещества (углеводы).

Энергия этих организмов может быть преобразована в полезную энергию прямыми и косвенными средствами. Биомасса может сжигаться для получения тепла (прямое), преобразовываться в электричество (прямое) или перерабатываться в биотопливо (косвенное).

Термическое преобразование

Биомасса может быть сожжена путем термического преобразования и использована для получения энергии. Термическая конверсия включает в себя нагрев сырья биомассы для его сжигания, обезвоживания или стабилизации. Наиболее известным сырьем биомассы для термической конверсии является сырье, такое как твердые бытовые отходы (ТБО) и отходы бумажных или лесопильных заводов.

Различные виды энергии создаются посредством прямого сжигания, совместного сжигания, пиролиза, газификации и анаэробного разложения.

Однако перед сжиганием биомассы ее необходимо высушить. Этот химический процесс называется торрефикацией. Во время торрефикации биомасса нагревается примерно до 200–320 ° по Цельсию (от 390 до 610 ° по Фаренгейту). Биомасса настолько полностью высыхает, что теряет способность впитывать влагу, либо загнивает. Он теряет около 20% своей первоначальной массы, но сохраняет 90% своей энергии. Потерянная энергия и масса могут быть использованы для подпитки процесса торрефикации.

Во время торрефикации биомасса становится сухим почерневшим материалом. Затем его прессуют в брикеты. Брикеты из биомассы очень гидрофобны, то есть отталкивают воду. Это дает возможность хранить их во влажных помещениях. Брикеты имеют высокую плотность энергии и легко воспламеняются при прямом или совместном сжигании.

Прямое и совместное сжигание
Большинство брикетов сжигаются напрямую. Пар, образующийся в процессе сжигания, приводит в действие турбину, которая вращает генератор и вырабатывает электричество. Это электричество может быть использовано для производства или для обогрева зданий.

Биомасса также может сжигаться вместе с ископаемым топливом. Биомасса чаще всего сжигается на угольных электростанциях. Совместное сжигание устраняет необходимость в новых заводах по переработке биомассы. Совместное сжигание также снижает спрос на уголь. Это уменьшает количество углекислого газа и других парниковых газов, выделяемых при сжигании ископаемого топлива.

Пиролиз
Пиролиз — родственный метод нагревания биомассы. Во время пиролиза биомасса нагревается до 200-300°С (390-570°F) без присутствия кислорода. Это предохраняет его от возгорания и вызывает химическое изменение биомассы.

В результате пиролиза образуется темная жидкость, называемая пиролизным маслом, синтетический газ, называемый синтетическим газом, и твердый остаток, называемый биоуглем. Все эти компоненты могут быть использованы для получения энергии.

Пиролизное масло, иногда называемое биомаслом или бионефтью, является разновидностью смолы. Его можно сжигать для выработки электроэнергии, а также использовать в качестве компонента других видов топлива и пластмасс. Ученые и инженеры изучают пиролизное масло как возможную альтернативу нефти.

Синтез-газ может быть преобразован в топливо (например, синтетический природный газ). Его также можно преобразовать в метан и использовать вместо природного газа.

Биоуголь — это разновидность древесного угля. Биоуголь — это богатое углеродом твердое вещество, которое особенно полезно в сельском хозяйстве. Биоуголь обогащает почву и предотвращает попадание пестицидов и других питательных веществ в стоки. Biochar также является отличным поглотителем углерода. Поглотители углерода — это резервуары для углеродосодержащих химических веществ, включая парниковые газы.

Газификация
Биомасса также может быть напрямую преобразована в энергию путем газификации. В процессе газификации исходная биомасса (обычно ТБО) нагревается до температуры более 700°C (1300°F) с контролируемым количеством кислорода. Молекулы разрушаются и производят синтетический газ и шлак.

Синтез-газ представляет собой смесь водорода и монооксида углерода. В процессе газификации синтетический газ очищается от серы, твердых частиц, ртути и других загрязняющих веществ. Чистый синтетический газ можно сжигать для получения тепла или электричества или перерабатывать в транспортное биотопливо, химикаты и удобрения.

Шлак представляет собой стеклообразную расплавленную жидкость. Его можно использовать для изготовления черепицы, цемента или асфальта.

Промышленные газификационные установки строятся во всем мире. Азия и Австралия строят и эксплуатируют больше всего заводов, хотя в настоящее время в Стоктон-он-Тис, Англия, строится один из крупнейших заводов по газификации в мире. Этот завод в конечном итоге сможет преобразовывать более 350 000 тонн ТБО в энергию, достаточную для питания 50 000 домов.

Анаэробное разложение
Анаэробное разложение – это процесс, при котором микроорганизмы, обычно бактерии, разлагают материал в отсутствие кислорода. Анаэробное разложение является важным процессом на свалках, где биомасса измельчается и сжимается, создавая анаэробную (или бедную кислородом) среду.

В анаэробной среде биомасса разлагается с образованием метана, который является ценным источником энергии. Этот метан может заменить ископаемое топливо.

Помимо полигонов, анаэробное разложение может применяться на ранчо и животноводческих фермах. Навоз и другие отходы животноводства могут быть переработаны для устойчивого удовлетворения энергетических потребностей фермы.

Биотопливо

Биомасса — единственный возобновляемый источник энергии, который можно преобразовать в жидкое биотопливо, такое как этанол и биодизель. Биотопливо используется для питания транспортных средств и производится путем газификации в таких странах, как Швеция, Австрия и США.

Этанол производится путем ферментации биомассы с высоким содержанием углеводов, такой как сахарный тростник, пшеница или кукуруза. Биодизель производится путем объединения этанола с животным жиром, переработанным кулинарным жиром или растительным маслом.

Биотопливо работает не так эффективно, как бензин. Тем не менее, их можно смешивать с бензином для обеспечения эффективного питания транспортных средств и механизмов и при этом не выделяются выбросы, связанные с ископаемым топливом.

Для производства этанола требуются акры сельскохозяйственных угодий для выращивания биокультур (обычно кукурузы). Около 1515 литров (400 галлонов) этанола производится с акра кукурузы. Но эта площадь затем недоступна для выращивания сельскохозяйственных культур для еды или других целей. Выращивание достаточного количества кукурузы для получения этанола также создает нагрузку на окружающую среду из-за отсутствия разнообразия в посевах и большого использования пестицидов.

Этанол стал популярным заменителем дров в жилых каминах. При горении выделяет тепло в виде пламени, а водяной пар вместо дыма.

Биоуголь

Биоуголь, полученный в процессе пиролиза, ценен в сельском хозяйстве и природопользовании.

При гниении или горении биомассы (естественным путем или в результате деятельности человека) в атмосферу выделяется большое количество метана и двуокиси углерода. Однако, когда биомасса обугливается, она изолирует или сохраняет свой углерод. Когда биоуголь добавляется обратно в почву, он может продолжать поглощать углерод и образовывать большие подземные хранилища секвестрированного углерода — поглотители углерода, — что может привести к отрицательным выбросам углерода и оздоровлению почвы.

Биоуголь также помогает обогатить почву. Он пористый. При добавлении обратно в почву биоуголь поглощает и удерживает воду и питательные вещества.

Биоуголь используется в бразильских тропических лесах Амазонки в процессе, называемом slash-and-char. Подсечно-огневое земледелие заменяет подсечно-огневое земледелие, которое временно увеличивает содержание питательных веществ в почве, но приводит к потере 97% содержащегося в ней углерода. При подсечно-огневой обработке обгоревшие растения (биоуголь) возвращаются в почву, и почва сохраняет 50% углерода. Это улучшает почву и приводит к значительно более высокому росту растений.

Черный щелок

При переработке древесины в бумагу образуется высокоэнергетическое токсичное вещество, называемое черным щелоком. До 1930-х годов черный щелок с бумажных фабрик считался отходом и сбрасывался в близлежащие источники воды.

Тем не менее, черный щелок сохраняет более 50% энергии биомассы древесины. С изобретением котла-утилизатора в 1930-х годах черный щелок можно было перерабатывать и использовать для питания мельницы. В США бумажные фабрики используют почти весь свой черный щелок для работы своих фабрик, и в результате лесная промышленность является одной из самых энергоэффективных в стране.

Совсем недавно Швеция провела эксперимент по газификации черного щелока для производства синтез-газа, который затем можно использовать для производства электроэнергии.

Водородные топливные элементы

Биомасса богата водородом, который можно извлекать химическим путем и использовать для выработки электроэнергии и заправки транспортных средств. Стационарные топливные элементы используются для выработки электроэнергии в удаленных местах, таких как космические корабли и дикая природа. Национальный парк Йосемити в американском штате Калифорния, например, использует водородные топливные элементы для обеспечения электричеством и горячей водой своего административного здания.

Водородные топливные элементы могут иметь еще больший потенциал в качестве альтернативного источника энергии для транспортных средств. По оценкам Министерства энергетики США, биомасса может производить 40 миллионов тонн водорода в год. Этого хватит, чтобы заправить 150 миллионов автомобилей.

В настоящее время водородные топливные элементы используются для питания автобусов, вилочных погрузчиков, лодок и подводных лодок, а также проходят испытания на самолетах и ​​других транспортных средствах.

Тем не менее, ведутся споры о том, станет ли эта технология устойчивой или экономически возможной. Энергия, необходимая для выделения, сжатия, упаковки и транспортировки водорода, не оставляет большого количества энергии для практического использования.

Биомасса и окружающая среда

Биомасса является неотъемлемой частью углеродного цикла Земли. Круговорот углерода — это процесс обмена углеродом между всеми слоями Земли: атмосферой, гидросферой, биосферой и литосферой.

Круговорот углерода принимает различные формы. Углерод помогает регулировать количество солнечного света, попадающего в атмосферу Земли. Обмен осуществляется посредством фотосинтеза, разложения, дыхания и деятельности человека. Например, углерод, который поглощается почвой при разложении организма, может быть переработан, поскольку растение выделяет питательные вещества на основе углерода в биосферу посредством фотосинтеза. При правильных условиях разлагающийся организм может превратиться в торф, уголь или нефть, прежде чем он будет извлечен в результате естественной или человеческой деятельности.

Между периодами обмена углерод секвестрируется или накапливается. Углерод в ископаемом топливе был изолирован в течение миллионов лет. Когда ископаемое топливо добывается и сжигается для получения энергии, поглощенный им углерод выбрасывается в атмосферу. Ископаемое топливо не повторно поглощает углерод.

В отличие от ископаемого топлива, биомасса поступает из недавно живых организмов. Углерод в биомассе может продолжать обмениваться в углеродном цикле.

Однако для того, чтобы Земля могла эффективно продолжать процесс углеродного цикла, материалы биомассы, такие как растения и леса, должны обрабатываться устойчивым образом. Деревьям и растениям, таким как просо просо, требуются десятилетия, чтобы повторно поглотить и улавливать углерод. Выкорчевывание или нарушение почвы может быть чрезвычайно разрушительным для процесса. Постоянное и разнообразное снабжение деревьями, сельскохозяйственными культурами и другими растениями жизненно важно для поддержания здоровой окружающей среды.

Топливо из водорослей

Водоросли — это уникальный организм, обладающий огромным потенциалом в качестве источника энергии из биомассы. Водоросли, наиболее известная форма которых — морские водоросли, производят энергию посредством фотосинтеза гораздо быстрее, чем любое другое сырье для биотоплива — до 30 раз быстрее, чем продовольственные культуры!

Водоросли можно выращивать в океанской воде, поэтому ресурсы пресной воды не истощаются. Он также не требует почвы и, следовательно, не сокращает пахотные земли, на которых потенциально можно выращивать продовольственные культуры. Хотя водоросли выделяют углекислый газ при сжигании, их можно выращивать и восполнять как живой организм. По мере пополнения он выделяет кислород и поглощает загрязняющие вещества и выбросы углерода.

Водоросли занимают гораздо меньше места, чем другие биотопливные культуры. По оценкам Министерства энергетики США, потребуется всего около 38 850 квадратных километров (15 000 квадратных миль, площадь меньше половины площади американского штата Мэн), чтобы вырастить достаточное количество водорослей, чтобы заменить все потребности США в энергии, работающей на нефтяном топливе. .

Водоросли содержат масла, которые можно превратить в биотопливо. Например, в корпорации Aquaflow Bionomic Corporation в Новой Зеландии водоросли обрабатываются с помощью тепла и давления. Это создает «зеленую нефть», которая имеет свойства, аналогичные сырой нефти, и может использоваться в качестве биотоплива.

Рост водорослей, фотосинтез и производство энергии увеличиваются, когда через них пропускают углекислый газ. Водоросли — отличный фильтр, поглощающий выбросы углекислого газа. Шотландская фирма Bioenergy Ventures разработала систему, в которой выбросы углерода от завода по производству виски направляются в бассейн с водорослями. Водоросли процветают с дополнительным углекислым газом. Когда водоросли погибают (примерно через неделю), их собирают, а их липиды (масла) превращают в биотопливо или корм для рыб.

Водоросли обладают огромным потенциалом в качестве альтернативного источника энергии. Однако переработка его в пригодные для использования формы стоит дорого. Хотя, по оценкам, он дает в 10–100 раз больше топлива, чем другие биотопливные культуры, в 2010 году он стоил 5000 долларов за тонну. Стоимость, вероятно, снизится, но в настоящее время она недоступна для большинства развивающихся стран.

Люди и биомасса

Преимущества
Биомасса является чистым возобновляемым источником энергии. Его первоначальная энергия исходит от солнца, и биомасса растений или водорослей может восстановиться за относительно короткий промежуток времени. Деревья, сельскохозяйственные культуры и твердые бытовые отходы постоянно доступны, и с ними можно обращаться устойчивым образом.

Если деревья и сельскохозяйственные культуры выращиваются устойчивым образом, они могут компенсировать выбросы углерода, когда поглощают углекислый газ через дыхание. В некоторых биоэнергетических процессах количество повторно поглощаемого углерода даже превышает выбросы углерода, которые выделяются при переработке или использовании топлива.

Многие виды биомассы, такие как просо просо, можно собирать на малоплодородных землях или пастбищах, где они не конкурируют с продовольственными культурами.

В отличие от других возобновляемых источников энергии, таких как ветер или солнечная энергия, энергия биомассы хранится в организме и может быть собрана, когда это необходимо.

Недостатки
Если запасы биомассы не пополняются так же быстро, как они используются, они могут стать невозобновляемыми. Лесу, например, могут потребоваться сотни лет, чтобы восстановиться. Это все еще намного, намного более короткий период времени, чем ископаемое топливо, такое как торф. Всего метр (3 фута) торфа может занять 900 лет, чтобы восполниться.

Для производства большей части биомассы требуются пахотные земли. Это означает, что земли, используемые для выращивания биотоплива, таких как кукуруза и соевые бобы, недоступны для выращивания продуктов питания или обеспечения естественной среды обитания.

Лесные массивы, которые созревали в течение десятилетий (так называемые «старовозрастные леса»), способны поглощать больше углерода, чем новые лесонасаждения. Следовательно, если лесные массивы не вырубаются, не пересаживаются и не дают времени для роста и связывания углерода, преимущества использования древесины в качестве топлива не компенсируются отрастанием деревьев.

Большинству заводов по производству биомассы для экономической эффективности требуется ископаемое топливо. Например, огромный завод, строящийся недалеко от Порт-Талбота в Уэльсе, потребует импорта ископаемого топлива из Северной Америки, что частично компенсирует устойчивость предприятия.

Биомасса имеет более низкую «энергетическую плотность», чем ископаемое топливо. До 50% биомассы составляет вода, которая теряется в процессе преобразования энергии. По оценкам ученых и инженеров, экономически неэффективно транспортировать биомассу на расстояние более 160 километров (100 миль) от места ее переработки. Однако преобразование биомассы в пеллеты (в отличие от древесной щепы или более крупных брикетов) может увеличить плотность энергии топлива и сделать его более выгодным для транспортировки.

При сжигании биомассы выделяются окись углерода, двуокись углерода, оксиды азота и другие загрязнители и твердые частицы. Если эти загрязняющие вещества не улавливаются и не перерабатываются, сжигание биомассы может привести к образованию смога и даже превысить количество загрязняющих веществ, выделяемых при сжигании ископаемого топлива.

Краткий факт

Баланс биомассы
Союз заинтересованных ученых помог разработать сбалансированное определение возобновляемой биомассы, которое представляет собой практические и эффективные положения по обеспечению устойчивости, которые могут обеспечить определенную уверенность в том, что сбор древесной биомассы будет устойчивым.

Краткий факт

Игра в птицу
3 миллиона цыплят на огромной птицефабрике Beijing Deqingyuan, недалеко от Пекина, Китай, ежедневно производят 220 тонн навоза и 170 тонн сточных вод. Используя технологию газификации от GE Energy, ферма способна преобразовывать куриный помет в 14 600 мегаватт-часов электроэнергии в год.

Краткий факт

Зеленая энергия в штате Грин-Маунтин
Первый американский завод по газификации биомассы открылся недалеко от Берлингтона, штат Вермонт, в 1998 году. Генераторная станция Джозефа К. Макнила использует древесину низкокачественных деревьев и отходы лесозаготовок, а также производит около 50 мегаватт электроэнергии, что почти достаточно для поддержания жизни в Берлингтоне, крупнейшем городе Вермонта.

Fast Fact

Лучшие в мире биотопливные культуры
1. просо
2. пшеница
3. подсолнечник
4. хлопковое масло
5. соя
6. ятрофа
7. пальмовое масло
8. сахарный тростник
9. канола
10. кукуруза

Статьи и профили

SF Gate: Газификатор биомассы: Союз обеспокоенных энергетиков Работает в США Министерство энергетики: Часто задаваемые вопросы о биомассе

Статья

Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии: Основы использования энергии биомассы

Синтез-газ | Синтез-газ | Генераторный газ

Синтез-газ, также известный как синтез-газ, синтез-газ или генераторный газ, может быть получен из различных материалов, содержащих углерод. Они могут включать биомассу (древесный газ), пластмассы, уголь, бытовые отходы или аналогичные материалы. Исторически городской газ использовался для газоснабжения многих домов в Европе и других промышленно развитых странах в 20 веке. Газовые двигатели, использующие синтетический газ в качестве топлива, могут быть сконфигурированы для комбинированной тепловой и энергетической конфигурации, чтобы максимизировать эффективность системы.

Синтез-газ получают газификацией или пиролизом углеродистых материалов. Газификация включает воздействие на эти материалы высоких температур в контролируемом присутствии кислорода с ограниченным сгоранием, чтобы обеспечить тепловую энергию для поддержания реакции. Газификация может происходить в искусственных емкостях или, в качестве альтернативы, может проводиться на месте , как при подземной газификации угля (UCG). Если топливо для газификатора имеет недавнее биологическое происхождение, такое как древесина или органические отходы, газ, произведенный газификатором, считается возобновляемым топливом, а энергия, произведенная при его сжигании, является возобновляемой. Когда топливо для газификатора представляет собой поток отходов, его преобразование в энергию таким образом имеет совокупную выгоду от преобразования этих отходов в полезные продукты.

Преимущества использования синтетического газа в газовых двигателях

• Производство возобновляемой энергии
• Преобразование проблемных отходов в полезное топливо
• Экономичное производство электроэнергии на месте и снижение потерь при передаче
• Сокращение выбросов углерода

Проблемы состава синтез-газа

Состав синтез-газа в значительной степени зависит от входных данных газогенератора. Ряд компонентов синтез-газа вызывает проблемы, которые необходимо решать с самого начала, включая смолы, уровень водорода и влажность. Газообразный водород сгорает намного быстрее, чем метан, который является обычным источником энергии для газовых двигателей. В нормальных условиях более быстрое сгорание в цилиндрах двигателя может привести к преждевременному зажиганию, детонации и обратному срабатыванию двигателя. Чтобы решить эту проблему, в двигатель был внесен ряд технических модификаций, а мощность двигателя снижена до 50-70% от его типичной мощности на природном газе. (То есть двигатель мощностью 1063 кВт, работающий на природном газе, сравним с двигателем максимальной мощностью 730 кВт, работающим на синтетическом газе).

Состав сингаза

В следующей таблице представлен типичный диапазон состава сингаза. Это будет зависеть от конкретного химического состава сырья для газификатора

Вещество	Состав (%)
Н 2	20-40
СО	35-40
СО 2	25-35
Ч 4	0-15
Н 2	2-5

 

Требования к качеству синтез-газа и топливного газа

В газовых двигателях может использоваться широкий спектр водородных газов. Однако, как и для всех моторных топлив, существуют определенные ограничения для различных компонентов входного топливного газа. Газовые примеси в синтетическом газе, в первую очередь смола и влажность, являются ключевой технической проблемой при использовании синтетических газов. Для получения дополнительной информации запросите специальную техническую инструкцию по качеству топливного газа.

Концепция двигателя ТЭЦ на синтез-газе

Различные составы, а также теплотворная способность и характеристики сгорания газов, образующихся в процессах синтеза газов, предъявляют более высокие требования к конструкции двигателя. Clarke Energy предлагает специально модифицированные газовые двигатели Jenbacher, которые эффективно используют эти газы для комбинированного производства тепла и электроэнергии. К особенностям этих двигателей могут относиться пламегасители для предотвращения обратного воспламенения, специальные газосмесители для улучшения смешивания газов и большей устойчивости к загрязнениям. В целом стабильный состав древесного газа делает его выгодным в качестве моторного топлива. Однако высокое содержание водорода в некоторых синтетических газах означает, что процесс сгорания происходит очень быстро, что увеличивает опасность преждевременного зажигания, детонации или обратного зажигания двигателя. Чтобы избежать этого риска, Jenbacher создала систему управления двигателем, которая способна заправлять двигатель Jenbacher очень бедной смесью и в то же время очень быстро реагировать на изменения нагрузки двигателя. Некоторые синтетические газы имеют высокое содержание окиси углерода, которая имеет низкую скорость сгорания и очень вредна. Компания Jenbacher разработала специальную систему сгорания газового двигателя, которая обеспечивает эффективное и надежное сжигание газа. Кроме того, Clarke Energy & Jenbacher предлагает пакет технологий безопасности, который позволяет безопасно работать с вредными газами, такими как окись углерода. Синтез-газ можно использовать для производства горячей воды, пара и электричества. Горячая вода и выхлопные газы двигателей подаются в котлы. Полученный пар можно использовать в других локальных промышленных процессах. Электроэнергия, вырабатываемая газовыми двигателями Jenbacher, может либо использоваться на месте, либо продаваться в общую сеть. Электрический КПД синтез-газа 37% и выше может быть достигнут с помощью газовых двигателей Jenbacher

Преимущества Заправка газовых двигателей синтетическим газом

• Автономный источник питания
• Снижение затрат на электроэнергию, повышение предсказуемости и стабильности
• Эффективное и экономичное комбинированное тепло- и электроснабжение
• Высокий электрический КПД по сравнению с другими технологиями производства электроэнергии (например, паровыми или газовыми турбинами)
• Лучше всего подходит для электрической мощности в диапазоне от нескольких сотен кВт до 20-30 МВт
• Требуется низкое давление газа
• Альтернативная утилизация проблемного газа с одновременным использованием его в качестве источника энергии
• Заменитель обычного топлива
• Экологические выгоды за счет сокращения выбросов парниковых газов

Компетентность в области синтез-газа

Компания Clarke Energy обладает обширным опытом работы с технологиями газовых двигателей и обширными знаниями в области обращения со сложными газами, такими как синтетический газ.