Возобновляемые источники энергии и сырья доц Матюшенков Е

Возобновляемые источники энергии и сырья доц. Матюшенков Е. А.

Рассматриваемые вопросы: Источники энергии Энергия из биомассы Химические вещества из биомассы

Удельная теплота сгорания веществ, МДж/кг Вещество Удельная теплота сгорания Порох 3. 8 Мазут 39. 2 Торф 8. 1 - 15 Керосин 40. 8 Дрова 10. 2 Нефть 41 Бурый уголь 15 - 14. 7 Дизельное топливо 42. 7 Сухая биомасса 14 - 17 Бензин 42 - 44 Метанол 22. 7 Пропан 47. 54 Каменный уголь 22 - 29. 3 Этилен 48. 0 Этанол 25 Метан 50. 1 Водород 120. 9 Древесный уголь 31

Биомасса – совокупная масса растительных и животных организмов, присутствующих в биогеоценозе в момент наблюдения. Приближённо полная биомасса Земли оценивается в 2, 4× 1012 тонн. Ежегодно на Земле образуется около 170 млрд. тонн первичной биомассы и приблизительно тот же объём разрушается.

Превращение биомассы в энергию Биомасса Сушка Конверсия в жидкое или газообразное топливо Сжигание Недостатки: 1) Не везде можно использовать 2) Большое количество золы 3) Высокая дымность Недостатки: 1) При конверсии всегда теряется большая часть исходного энергетического запаса биомассы! 2) На сам процесс конверсии затрачивается энергия

Конверсия биомассы Сжигание Тепло, CO 2, H 2 O Термолиз (450 -800 о. С) Уголь, масла, газы Пиролиз (1500 о. С) Газы (С 2 Н 2), уголь Газификация (650 -1200 о. С) CO, H 2, CH 4, CO 2 Гидротермолиз (250 -600 о. С) Масла, уголь, газы (CO 2) Ферментация Этанол, CO 2 Анаэробное перегнивание CH 4, H 2 O Биомасса

Термолиз и пиролиз Термолиз/пиролиз - нагревание биомассы в отсутствие кислорода При невысоких температурах термолиза главный продукт – древесный уголь При выоких температурах пиролиза содержание угля уменьшается, но увеличивается количество газообразных продуктов (CO, ацетилен, H 2) Термолиз и пиролиз энергетически относительно малоэффективны – теряется более 50% исходного энергетического запаса биомассы

Газификация – термолиз в присутствии воздуха или пара, образуются газообразные продукты с высоким содержанием кислорода, а также водород Используется для получения синтез-газа (CO/H 2), кроме того, полученные газы могут использоваться для производства электричества

Гидротермолиз – процесс термической обработки биомассы водой при повышенных температурах и давлении около 30 атм. Разработан компанией Shell для получения маслообразных материалов с низким содержанием кислорода, т. н. bio-crude Процесс неэкономичен, но может стать таковым при росте цен на нефть

Анаэробное перегнивание - обработка биомассы бактериями в отсутствие воздуха с образованием газа, богатого метаном (т. н. биогаза) На тонну сухой биомассы получают около 300 м 3 биогаза, содержащего >50% метана В настоящее время производство биогаза для использования в качестве топлива экономически невыгодно. Существование заводов связано с необходимостью переработки отходов, например, нечистот от животноводческих ферм

Ферментация биомассы Ферментация – процесс переработки биомассы бактериальными культурами с образованием низкомолекулярных органических соединений Целлюлоза гидролиз Глюкоза дрожжи Этанол 93% этанола производят биотехнологическими методами Около 60% этанола используют как добавку к топливу, 25% - в химической промышленности и 15% - в пищевой. В Бразилии производится около 16 млн. литров этанола в год Часть этанола (с большим содержанием воды) используется как топливо в специальных двигателях Часть этанола (с низким содержанием воды) подмешивается к бензину (до 22%) и используется в обычных двигателях

Недостатки биоэтанола При ферментации получаются большие количества побочных продуктов, содержащих органические кислоты (аминокислоты) и др. вещества Ферментации дрожжами подвергаются не все углеводы, например, ксилоза не ферментируется. Решение – применение других бактерий, например, найдены штаммы E. coli, перерабатывающие ксилозы Образуются растворы спирта с концентрацией 7 -15%, далее требуется энергоемкий процесс дистилляции По расчетам, на производство тонны этанола затрачивается на 72% больше энергии, чем содержится в самом этаноле!

Биобутанол Бутанол можно получить ферментацией сахаров бактерией Clostridium acetobutylicum Бутанол на 25% более энергоемкий, чем этанол, и выделяет на 10% больше энергии в рабочем цикле, чем бензин Бутанол безопасен, испаряется в 6 раз медленнее этанола и в 13. 5 раз менее летучий, чем бензин Бутанол не вызывает коррозию и может транспортироваться обычными нефтепроводами Бутанол не только смешивается с бензином, но и может полностью заменить его без существенного изменения конструкции двигателя

Биодизель Недостатки использования нефтяного дизельного топлива: Истощение природных ресурсов Выделение оксидов серы при горении Образование смога Биодизель – дизельное топливо, состоящее полностью или частично из природных органических компонентов, добываемых из возобновляемого (в основном растительного) сырья. Основной компонент – сложные эфиры жирных кислот с легкими спиртами (метанол).

Биодизель Производительность различных источников липидов Источник триглицеридов Производительность, литр/гектар*год Пальма Кокос 6000 2600 Рапс Арахис Подсолнечник Соя Кукуруза Микроводоросли 1180 1050 950 450 160 20000 -80000

Биодизель Содержание жирных кислот в растительных маслах Жирная Формула Соевое Подсолнеч. Пальмовое кислота ное Рапсовое Пальмитиновая C 16 H 32 O 2 11 7 42. 8 3 Стеариновая C 18 H 36 O 2 4 5 4. 5 1 Олеиновая C 18 H 34 O 2 23 18 40. 5 11 Линолевая C 18 H 32 O 2 54 69 10. 1 12 Линоленовая C 18 H 30 O 2 8 0 0. 2 9 Эруковая C 22 H 42 O 2 0 0 0 52 Рапсовое поле

Биодизель Переэтерификация жиров: глицерин компоненты биодизеля

Преимущества биодизельного топлива Более чистое горение Дают меньше дыма при горении Меньшее содержание SOx Меньшее содержание углеводородов в продуктах горения Меньшее содержание CO Содержание окислов азота в продуктах горения мало отличается от нефтяного дизельного топлива

Недостатки биодизельного топлива В ряде современных топливных систем и двигателей биодизельное топливо (смесевое и чистое) нельзя использовать (например, “common rail” – CDR). Внимательно смотрите инструкцию к автомобилю! Низкие сроки хранения Окисляемость Подверженность действию бактерий Повышенная агрессивность к полимерным, резиновым деталям топливной системы Увеличение посевов рапса может уменьшать посевы пищевых культур, следствие – рост цен на продукты Требуется ротация культур, иначе урожай рапса падает

Биоводород Источники: Биофотолиз воды зелеными и сине-зелеными водорослями (цианобактериями), например, Chlamydomonas reinhardtii Фоторазложение органических соединений фотосинтетическими бактериями, например, Rhodobacter sphaeroides Фермантация органических веществ в отсутствие света, например, бактериями Clostridium Гибридные системы, использующие фотосинтетические организмы и производящие водород бактерии

Хим. продукты из возобновляемого сырья Смазочные материалы Волокна и композиты Полимеры Растворители Поверхностно-активные вещества Адсорбенты Красители Агрохимия Фармацевтические компоненты

Хим. продукты из возобновляемого сырья Биомасса экстракция Масла, жиры, воск, терпены Биосырье Белки Крахмал Целлюлоза Гемицеллюлоза Лигнин Моносахариды ~75% ~20%

Некоторые производные целлюлозы целлюлоза Производное Название CELL-O-CH 3 Метилцеллюлоза CELL-O-C 2 H 4 OH Гидроксиметилцеллюлоза CELL-O-CH 2 -COONa Карбоксиметилцеллюлоза (соль) CELL-O-C 2 H 4 -N(C 2 H 5)2 Диэтиламиноэтилцеллюлоза CELL-O-COCH 3 Ацетат целлюлозы CELL-O-COC 2 H 5 Пропионат целлюлозы CELL-O-NO 2 Нитрат целлюлозы CELL-O-C 2 H 5 Этилцеллюлоза

Хим. продукты из крахмала

Низкомолекулярные продукты из углеводов молочнокислые бактерии глюкоза L-(S)-(+)-молочная кислота 1, 3 -пропандиол Разработка компании «Dupont-Genencor»

Низкомолекулярные продукты из углеводов 6 стадий глюкоза целлюлоза аскорбиновая кислота левулиновая кислота МТГФ

Низкомолекулярные продукты из углеводов пентозаны фурфурол фуран Пентозанов много, например, в кукурузных початках МТГФ

Продукты из жиров Жирные кислоты Высшие алкены Высшие спирты Сложные эфиры высших спиртов Амиды жирных кислот Высшие амины Трансформации кислотной группы Соли жирных кислот ЧАС

Продукты из жиров Дикарбоновые кислоты Кислоты и алкены средней длины метатезис основание Сопряженные жирные кислоты H 2 O 2 / кат или О 3 Жирные кислоты H+ затем H 2 Диолы для производства полиуретанов Н+ или NOx Цис-/транс-изомеры надкислоты Эпоксиды Трансформации кратных связей ненасыщенных жирных кислот

Биопластики На основе крахмала, например, Plastarch Material (PSM, 2005) из кукурузного сырья На основе полимеров молочной кислоты (полилактидов) На основе поли-3 -гидроксибутиратов (PHB) Полиамид 11 (PA 11, Rilsan) – из растительного масла , получаемого из клещевины (не биодеградируемый) Полиэтилен из биоэтилена (этилена, производимого из возобновляемого сырья)

Полилактид кат. нагревание лактид стаканчики из полилактида полилактид горячую жидкость стаканчик не выдерживает

Спасибо за внимание!