Плюсы и минусы биотоплива как источника энергии

Плюсы и минусы биотоплива как источника энергии

Современный мир страдает от дефицита энергоресурсов. В производство то и дело внедряют новые источники энергетики. Для решения глобальной проблемы используют альтернативные и малоизвестные природные ресурсы. Например, биотопливо. Оценить возможности нетрадиционного элемента поможет детальное знакомство с биотопливом.

Что называют биотопливом?

Биологическим топливом называют горючий элемент, созданный из растительного или животного сырья. В качестве сырья используют разнообразные сельскохозяйственные культуры. Например, соевые семена, сахарный тростник и т.д. В некоторых случаях для изготовления горючего задействуют органические отходы. Впервые биотопливом начали пользоваться в 70-х годах в США.

На данный момент природный источник энергии активно развивают и с успехом применяют более 40 стран. Известно несколько видов горючего элемента: жидкий, твердый и газообразный. Классификация установлена в согласии с агрегатным состоянием биологического вещества.

1. Жидкий. Безопасный и экологически чистый природный ресурс, полученный вследствие переработки растительного сырья. Наиболее популярными представителями жидкого горючего является диметиловый эфир, биометанол и биодизель. Жидкое биотопливо наблюдается в двигателях внутреннего сгорания. Диметиловый эфир является источником питания автомобиля. Биодизель также может выступать альтернативным вариантом транспортного горючего.
2. Твердый элемент. Старинный и европейский энергоресурс. Яркими представителями твердого биотоплива являются отходы жизнедеятельности животных (навоз, птичий помет), торф или древесина. С помощью торфяного энергоресурса отапливаются жилые помещения. Древесину используют для приготовления еды. На древесине функционируют европейские тепловые электростанции. Отходы жизнедеятельности животных также активно применяют в отопительных целях.
3. Газообразный. Биоводород и биогаз- два ярких и главных представителя газообразного биотоплива. Биоводород добывается путем нагрева древесных отходов. Горючее активно используется в момент изготовления водородного топливного элемента для транспортных средств. Второй вариант биотоплива заменяет природный газ. Создается путем метанового брожения с помощью разнообразных бытовых и природных материалов (водоросли, помет, сточные воды).

Представители второго поколения богаты на целлюлозу и лигнин. Для производства травяной или древесной биомассы требуется много площади. Использование биотоплива в этом случае сокращает земельные ресурсы.

Горючее сырье, относящийся к третьему поколению в настоящее время усовершенствуется и дорабатывается. Главным представителем этого поколения являются водоросли, выращенные в открытых водоемах.

Многочисленные исследования ученых и создание новых методик позволяют в недалеком будущем разработать новые виды горючего биологического топлива.

В настоящем, альтернативные энергоресурсы, применяющиеся на практике, обладают рядом положительных и отрицательных качеств.

Достоинства энергоресурса

Биологический и научный интерес к природным энергетическим ресурсам возникает благодаря следующим положительным качествам продукта:

• Экономическая доступность материала. Для покупки нефти или природного газа многие страны тратят большие деньги. Экономика государства терпит убытки. Добыть биологическое топливо можно практически в любой стране. Производство горючего на местах сократит расходы на импорт зарубежных энергоресурсов.
• Мобильность. Ветряные или солярные установки предназначены исключительно для стационарного использования. Не поддаются перевозке. Биологические материалы при необходимости можно перевозить с одного региона в другой.
• Биологическое топливо является возобновляемым ресурсом. Растение и отходы животных никогда не исчезнут.
• Природный ресурс уменьшает количество выбросов парникового газа в атмосферу. Предотвращает вероятность наступления глобального потепления.
• Использование биотоплива для двигателей автомобиля уменьшает затраты на его техническое обслуживание.

В недалеком будущем работа горючего топлива будет обходиться дешевле, нежели использование бензина.

Недостатки и выбор места для взращивания продукта

Однако не следует забывать о недостатках горючего. Главными минусами природного ресурса считают:

• Климат. Некоторые климатические зоны не подходят для выращивания растительного топлива. Природный источник не растет в недрах тундры или на пустыне.
• Взращивание биомассы нарушает экосистему. Зачистка территории для посадки растений губит микросистему лесов и других местностей.
• Натуральный ресурс потребляет много воды. Поэтому разведение сельскохозяйственной биомассы в засушливых территориях является невозможным.
• Растительные культуры, используемые как топливо, в момент произрастания нуждаются в дополнительной подпитке. Некоторые удобрения для таких растений вредят экосистеме.
• Агрессивное поведение растений для топлива пагубно сказывается на аутентичной флоре и на благополучии всей экосистемы определенного региона.

Выбирать территорию для посадки растительной биомассы следует осторожно. Учитывают климатические условия местности, доступность к водным ресурсам, а также возможности регулярного удобрения посаженого сырья. В противном случае растение станет непригодным для дальнейшей переработки.

Биологическое топливо используют в разных областях жизни. Для работы транспортного средства, обогрева жилых комплексов и приготовления пищи. Несмотря на явные минусы биологический материал по сей день является востребованным и интересным для ученых источником энергетики.

Плюсы и минусы использования биотоплива

Что такое биотопливо?

Биотопливо — это топливо, которое производится из растительного либо животного сырья, органических отходов. Виды биотоплива подразделяются на твердое, жидкое и газообразное.

Твердое биотопливо

Благодаря развитию технологий, сегодня уже существует много различных типов твердого биологического топлива. Среди них можно отметить продукты на деревянной основе, отходы лесной промышленности:

• прессованные опилки;
• щепки;
• кора деревьев;
• солома.

А также отходы аграрного производства:

• подсолнечная лузга;
• ореховая скорлупа;
• навоз.

Эти материалы и отходы проходят стадии обработки и прессования, после чего принимают гранулированную форму длинной до 30 мм, диаметром до 10 мм. Гранулы называются пеллетами. Также из стружки и опилок изготавливают брикеты. Переработка опилок в производстве позволяет сохранить гектары леса. Также такой источник энергии более экологически чистый, в отличие от угля. При сгорании дерева и его отходов не выделяется вредных веществ.

Пеллеты на протяжении последних лет занимают верхние позиции среди видов альтернативного топлива для котлов отопления. Ими хорошо заменять солярку, дрова, уголь, либо использовать для работы специальных генераторов. При их сгорании отсутствует дым, выделяется больше тепла, чем от прочих горючих материалов.

Жидкое биотопливо

Чаще применяется в автомобильной промышленности. К нему относят спирты, полученные путем переработки растительного сырья (крахмало и сахаросодержащих культур):

• биоэтанол;
• биометанол;
• биобутанол;
• демитиловый эфир;
• биодизель.

Остановимся более подробно на биодизеле. Основным источником для его получения является рапс и соя. До недавнего времени в значительных объемах использовалось и пальмовое масло, однако результаты последнего изучения вопроса Европейской комиссией показали, что выбросы парниковых газов из биодизеля, произведенного на пальмовом масле, могут превышать более чем в три раза выбросы в атмосферу, по сравнению с обычным дизтопливом, поэтому с 2021 года его производство в ЕС будет запрещено. Однако это не касается остальных видов сырья.

Также применяют подсолнечное, арахисовоее, кокосовое и льняное масло. Самой эффективной культурой для производства биодизеля считается рапс. Одним из преимуществ биодизеля является возможность смешивания его с обычным дизелем в разных пропорциях. Также он обладает высоким уровнем воспламеняемости.

Заметим, что его применение значительно продлевает срок службы дизельного двигателя, так как биодизель является одновременно и первоклассной смазкой.

Газообразное биотопливо

Газообразное топливо получают путем брожения органических отходов, либо с помощью термохимических и биохимических реакций. Брожение происходит под воздействием бактерий. Основным видом газообразного биологического топлива является биогаз. К его разновидностям относится биоводород (получается в процессе бутилового либо ацетонобутилового брожения различных растений). Большой плюс, что в быту биогаз, может применяться в тех же отраслях, где используется обычный природный газ.

Из чего делают биотопливо

Растительное сырьё, из которого производится биотопливо, подразделяется на три поколения. К первому относятся такие культуры как кукуруза, сою и рапс.

Большая часть биотоплива производится путем переработки кукурузы. Этанол, который получают из кукурузы, имеет хорошие устойчивые показатели. В конце производственной цепочки, остается продукт распада – зерновой дистиллят. Им разрешается кормить рогатый скот.

Это две аграрные культуры богатые маслами. В частности, их используют для производства биодизеля и топлива для реактивных двигателей. Их переработка не требует тяжелого технологического процесса, поэтому не является дорогостоящим процессом, и в скором времени, может получить статус производства в промышленных масштабах. Получаемое масло часто используют и в пищевой промышленности.

В производстве топлива сахарный тростник имеет неофициальное название «вторая кукуруза». Если в кукурузе на переработку идут семена, то в тростнике главный элемент — стебель. Так как сахарный тростник может расти только в тропическом поясе, есть очевидное региональное ограничение в его производстве.

Ко второму поколению сырья относится древесина и трава, а также непищевые остатки сельскохозяйственных культур. К третьему – водоросли.

Биотопливо из водорослей

Водоросли — это простые организмы, способные к быстрому росту в загрязненной либо соленой воде. Большим преимуществом водорослей является то, что они содержат в сотни раз больше масла в сравнении с сырьем 1-го поколения. Поэтому исследования в направлении производства топлива из водорослей считаются очень перспективными. В США ведутся разработки по генетической модификации этих растений с целью получения наилучших результатов.

К недостаткам можно отнести чувствительность водорослей к температурным скачкам. Поэтому выращивание водорослей довольно сложный процесс, требующий особого контроля.

Плюсы и минусы биотоплива

Биотопливо уже успело закрепить за собой статус конкурентоспособного источника энергии. Этому способствует привлекательная стоимость, экологичность биотоплива, и что самое главное для производителей – источник сырья – возобновляемые ресурсы.

Среди минусов можно отметить ограничения по региональной пригодности, растительное масло часто может выращиваться лишь в некоторых регионах из-за собственных особенностей роста в зависимости от климата. Также для производства необходимы большие площади земли.

Тенденции мирового рынка биотоплива

Популярность биотоплива во-первых обусловлена энергетической безопасностью, во-вторых это одно из направлений борьбы против глобального потепления, за счет снижения выбросов в атмосферу.

Биотопливо – альтернатива всем обыденным видам энергетических источников. Все виды транспорта стараются использовать биотопливо, так как это дешевле и чище в процессе сгорания. Высокая потребность на это топливо, способна значительно поменять состояние дел на рынке энергоносителей.

Согласно прогнозам независимого общества энергетики, к 2025 году дефицит нефтепродуктов составит 14%.

По состоянию на 2012 год, выработка биотоплива составила 110 млрд литров. Такие темпы производства, в лучшем случае смогут покрыть только 7% на 2021 год, что является не совсем хорошим показателем.

К сожалению, увеличение производства пока не идет в ногу с увеличением потребности населения и промышленности. Сегодня многие государства мира начинают все больше уделять внимания программа по разработке и производству биотоплива. Согласно прогнозу специалистов в 2020 году производство экологической энергии в мире вырастит до 36%, а к 2040 году она может достичь 48%.

Плюсы и минусы биотоплива как источника энергии

По данным центра REN21, работающего под эгидой Программы ООН по окружающей среде, в 2017 году около 18,1% всей потребляемой в мире энергии пришлось на энергию из возобновляемых источников. В общественном сознании «зеленая» энергетика —это в первую очередь ветровые и солнечные установки, но в действительности они занимают незначительную долю даже внутри возобновляемого сектора.

Две трети рынка «зеленой» энергетики занимает биоэнергетика. На нее в 2017 году пришлось 12,4% всей потребленной в мире энергии, или 12,8 тыс. ТВт·ч. Использование биомассы для получения тепла и энергии можно разделить на два способа:

• традиционный: сжигание древесины, древесного угля, навоза и прочих остатков сельскохозяйственной деятельности (на это приходится 7,4% потребляемой в мире энергии);
• современный: использование специально подготовленной биомассы в твердом, жидком и газообразном виде (5% мирового потребления энергии).

Сжигание древесины приводит к выбросам углекислоты, но энергетики отмечают, что высаженные специально для этого деревья впоследствии поглощают вредные газы. Поэтому, несмотря на недовольство некоторых экологов, власти Евросоюза официально приравняли биомассу к возобновляемым источникам энергии. В ежегодном докладе по «зеленой» энергетике за 2019 год специалисты REN21 изучили, что происходит на биоэнергетическом рынке и куда он движется.

В отличие от тех же солнечных батарей биоэнергетика подразумевает более сложную производственную цепочку. В современной энергетике биомассу не просто собирают и сжигают, нужно придумать эффективный способ ее переработать (чему помогают научные исследования) и превратить в биотопливо (с помощью химической промышленности).

1. Твердое топливо

Это наиболее распространенный вид топлива для биоэнергетики. В первую очередь это гранулированная древесина или пеллеты. В 2018 году объем их производства в мире достиг 35 млн т, пятая часть которого пришлась на США. Россия также является крупным производителем пеллетов — ежегодный объем продукции достиг в 2018 году 3,6 млн т, что лишь вдвое меньше объема производства в США. Аналитики REN21 отмечают, что экспорт пеллетов из России в прошлом году вырос на 30%, до 1,5 млн т, при этом в самой стране биоэлектростанции на гранулированной древесине работают лишь на 50% загрузки.

Основными импортерами пеллетов являются страны Евросоюза, Канада и Япония, в которых сейчас активно строятся новые ТЭЦ, производящие как электричество, так и тепло. Помимо дерева твердым биотопливом становятся остатки тростника, торф и даже обработанные коммунальные отходы.

2. Жидкое топливо

Применительно к биоэнергетике жидким топливом чаще всего является биоэтанол. По сути же это просто спирт, получаемый из растительного сырья. В зависимости от климата и условий, в разных странах сырьем могут являться сахарный тростник, кукуруза, зерновые культуры и так далее. Основная сфера его применения — замена бензина, дизеля и авиакеросина для транспортных средств. В 2018 году мировое производство жидкого биотоплива всех видов выросло на 7%, до 153 млн л. По энергоемкости это чуть более 8% от всего рынка биоэнергетики.

Благодаря миллиардным инвестициям в производство биоэтанол постепенно наращивает присутствие на рынке. Например, в 2018 году в мире было совершено 150 тыс. авиаперелетов на биотопливе, пять аэропортов в мире уже имеют нужную инфраструктуру для заправки им самолетов. Цифры могут показаться внушительными, но вообще ежегодно в мире совершается более 40 млн авиарейсов, так что применение биотоплива тут находится на самом раннем этапе.

Две проблемы, которые предстоит решить химикам: в каких долях эффективнее всего смешивать биоэтанол с обычным топливом и какое еще сырье здесь можно использовать. В последние годы американская промышленность пытается наладить производство биоэтанола из целлюлозы, но пока эти проекты балансируют на грани окупаемости.

3. Газообразное топливо

Разложение биомассы приводит к образованию смеси метана и углекислоты, который используется в энергетике как биогаз. ТЭЦ на биогазе работают преимущественно в западных странах: в ЕС к концу 2018 года находилось более 10 тыс. процессинговых центров, еще около 2,2 тыс. в США, причем в каждом из 50 штатов.

Перспективной технологией аналитики REN21 называют получение биометана путем удаления из биогаза углекислоты. С одной стороны, очищение биогаза от подобных примесей до уровня качества природного газа позволит использовать инфраструктуру газовой отрасли, с другой — это сделает энергетическую отрасль более экологичной.

Сейчас основным способом использования биомассы в энергетике является отопление. Четверть тепловой энергии жилые и коммерческие здания во всем мире получают от биотоплива. В подавляющем большинстве случаев это использование традиционной биоэнергии — банальный обогрев горящими поленьями используют в беднейших регионах земли, и точную статистику тут собрать трудно. Современную биоэнергетику используют городские власти для центрального отопления кварталов, где на нее приходится 95% всех используемых возобновляемых источников энергии.

В промышленности традиционное биотопливо не используется, а современные технологии обеспечивают 6,1% нужд в тепловой энергии. Перспективы применения, отмечают авторы обзора, зависят от конкретной отрасли. Сталелитейной промышленности низкотемпературное биотопливо не подходит, тогда как на цементном производстве оно может успешно заменить используемый сейчас для выработки тепла каменный уголь.

В меньшей степени биотопливо применяется на транспорте (3% потребляемой энергии) и для выработки электричества (2,1%). Основной объем энергии из биологических источников на транспорте получают автомобили, хотя замещение биотопливом керосина для самолетов входит в планы многих авиакомпаний.

Использование биотоплива для получения электроэнергии растет стабильными темпами около 7–9% в год, и за десять лет с 2008 года объем выработанного таким способом электричества удвоился почти до 600 ТВт·ч. Основная тенденция, которую отмечают аналитики REN21, — этот сегмент биоэнергетики опережающими темпами растет в Азии (на 14–16% в год), тогда как в Северной Америке и Европе он развивается заметно более умеренными темпами.

В конечном же итоге авторы обзора подчеркивают, что развитие биоэнергетики пока что сильно зависит от внешних условий в определенное время в конкретных регионах. Например, хороший урожай сои в США и Бразилии в 2018 году позволил этим странам резко нарастить производство биодизеля. Одновременно снижающиеся цены на сахар вынудили бразильцев вводить больше мощностей по переработке тростника в биоэтанол. Будут ли в дальнейшем условия благоприятствовать развитию биоэнергетики, неизвестно.

ПЕРСПЕКТИВНОСТЬ ВНЕДРЕНИЯ БИОТОПЛИВА КАК АЛЬТЕРНАТИВНОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ

студент, Орского гуманитарно-технологического института (филиала) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Оренбургский государственный университет»,

студент, Орского гуманитарно-технологического института (филиала) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Оренбургский государственный университет»,

АННОТАЦИЯ

В статье рассматривается перспективность внедрения биотоплива как альтернативного источника энергии, его экономичность, целесообразность, практичность и рентабельность в настоящих реалиях.

Ключевые слова: Энергосбережение, биотопливо, альтернтивные источники энергии.

На сегодняшний день вопрос о электросбережение остро стоит перед человечеством, даже в местах, где энергоресурсы всегда были в изобилии ощущается их нехватка, пусть и не такая большая как в обедненных районах. Поэтому человечество все больше делает акцент на использовании альтернативных источников энергии: ветра, Солнца, сырья и отходов, воды.

Основными видами таких источников являются ветер, вода и солнце, но их энергия иногда необходима и в других отраслях, поэтому люди придумывают все новые и новые альтернативы.

Одним из таких «выходов» является биотопливо, которое представляет из себя переработанные животное или растительное сырье, а также отходы промышленности или продукты жизнедеятельности организма человека. На данный момент, наиболее популярным биотопливом в энергетике являются пелпеты, которые производят из древесины.

Рисунок 1. Пелпеты

Как и любой вид энергии, биологическое топливо имеет свои плюсы и минусы. Рассмотрим достоинства:

– Бюджетность, биотопливо не требует больших вложений, так как его достаточно легко добыть из окружающей среды;

– Мобильность, его легко перевозить из одного место в другое, а также просто накапливать;

– Возобновляемость, главный плюс по которому его и рассматривают в данной статье;

– Благоприятное воздействие на окружающую среду;

Рисунок 2. Динамика производства биотоплива

Существуют разные виды биотоплива:

1. Твердое: дрова, торф, отходы жизнедеятельности животных и сельскохозяйственного производства.
2. Жидкое: биодизель, диметиловый эфир, биоэтанол, биобутанол.
3. Газообразные: биогаз, метан, биоводород.

Также биотопливо бывает первого, второго и третьего поколения:

Первое поколение. К этой категории относятся сельскохозяйственные культуры, в которых содержится высокий процент крахмала, сахаров, жиров. Это такие популярные растения, как кукуруза, сахарная свекла, рапс, соя.

Поскольку выращивание этих культур наносит ущерб климату, а их изъятие с рынка влияет на ценообразование продуктов, ученые пытаются заменить их на другие виды биомассы.

Второе поколение. В группу биомассы входит древесина, трава, сельскохозяйственные отходы (скорлупа, шелуха). Получение биотоплива из такого сырья требует больших затрат, однако позволяет решить вопрос утилизации не пищевых остатков с одновременным производством горючих материалов.

Особенностью культур, входящих в эту разновидность, является присутствие в них лигнина и целлюлозы. Благодаря им биомассу можно сжигать и газифицировать, а также подвергать пиролизу, получая жидкое топливо.

Главным недостатком биомассы второго поколения считается недостаточная отдача с единицы площади, из-за чего под такие культуры приходится отводить значительные земельные ресурсы.

Третье поколение. Сырьем для производства биотоплива служат водоросли, которые выращиваются в промышленных масштабах, например, в открытых водоемах.

Подобная практика имеет большие перспективы, однако в настоящее время такие технологии только разрабатываются. Ученые также ведут исследования по созданию методик, позволяющих получить биотопливо четвертого и даже пятого поколения.

Рисунок 3. Примеры биотоплива разных поколений

Главными преимуществами данного источника энергии перед другими видами топлива являются его экологичность и возобновляемость. К альтернативным источникам энергии относятся не все виды биотоплива: традиционные дрова тоже являются биотопливом, но не являются альтернативным источником энергии.