История возникновения биотоплива

Введение
В наши дни становится очевидной ограниченность традиционных источников энергии, базирующихся на нефти, природном газе и угле. Поиск новых источников энергии - актуальная проблема, как для современной России, так и для всего мира. Существенную и все возрастающую роль в мировой энергетике начинают играть альтернативные источники энергии, основанные на использовании биоэнергии сырья различной природы [3].При правильном подходе биотопливо может стать фактически неиссякаемым источником энергии. Спешность перехода на возобновляемые топлива обусловлена 3-мя факторами: отклонение климатического фона, увеличение спроса на энергию, шаткость доступа к истощимым ресурсам. В противоположность нефтяным, угольным и газовым ископаемым, применение топлив, производимых из возобновляемого сырья (в большей части случаев - биомассы), не повышает количества двуокиси углерода в атмосфере. Количество диоксида углерода, образующегося при горении биомассы, количественно точно соответствует двуокиси углерода, которую растение (основа топлива), усвоило в ходе собственного роста. Сохранение баланса, при котором сбор урожая будет равен количеству выращенных растений, позволит поддерживать содержание двуокиси углерода в атмосфере земли на одном уровне [1].1. История возникновения биотопливаB XIX веке быстрые темпы развития науки и техники привели к тому, что перед изобретателями различных двигателей встал вопрос о качественном топливе, которое обеспечивало бы работу новых механизмов. Первоначально более перспективным казалось использование именно биотоплива, которое применяли многие известные изобретатели и промышленники той эпохи.Одним из первых изобретателей, который использовал биотопливо, был Сэмюель Мори. В 1826 году он предложил модель двигателя, который работал на спирте и скипидаре.Немецкий изобретатель Николас Отто в 1876 году создал первый в мире четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, работавший на этаноле [3].Слово "дизель" давно стало нарицательным. Немецкому инженеру-изобретателю Рудольфу Дизелю человечество оказало высокую и довольно редкую в истории техники честь, начав писать его имя со строчной буквы и называя так созданный Р. Дизелем поршневой двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия. Р. Дизель предложил тип мотора, использующего в качестве топлива арахисовое масло, и продемонстрировал его работу на Всемирной выставке в Париже в 1900 году [2].Американский изобретатель Генри Форд изготовил в 1896 г. свой первый автомобиль. Он носил название "Квадрицикл" (Quadricycle), двигатель которого работал на спирте. А в 1908 г. Форд выпустил в продажу знаменитую "Модель Т" - первый в истории массовый автомобиль, который мог работать на бензине, этаноле и смеси обоих видов топлива. Форд использовал этанол, исходя и из экономических соображений: он считал, что "спиртовое" автомобилестроение предоставит фермерам возможность использовать при эксплуатации автомобилей дешевое топливо [3].В начале ХХ века на планете были обнаружены значительные запасы нефти, объемы ее добычи увеличивались, бензин дешевел. Это определило потерю интереса к биотопливу. Правда, эпоха его забвения длилась недолго.Вскоре спирт подешевел, поскольку его начали изготавливать из отходов сахарной промышленности. Этанол как топливо активно использовался многими странами мира во время Первой мировой войны (1914-1918 гг.). Уже после окончания войны, в 20-х годах, в Соединенных Штатах и многих европейских странах получают распространение смеси бензина и спирта.В течение многих последующих лет этанол упорно пытался вытеснить бензин с господствующих позиций, но почти всегда проигрывал ему, окончательно исчезнув с рынка лишь после Второй мировой войны.В современной истории интерес к альтернативным источникам энергии возник более 30-ти лет тому назад, в связи с введением в начале 1970-х годов странами ОПЕК эмбарго на поставку нефти в США и Западную Европу [5].Судя по оценкам экономистов, расширение биотопливной индустрии становится экономически привлекательным, если мировые цены на нефть превышают 30-40 долларов за баррель. Надо заметить, что на сегодняшний день цена нефти уже превышает 100 долларов за баррель.Кроме того, общеизвестно, что ископаемые углеводороды - богатейшее сырье, и лучше производить из него массу полезных вещей, чем сжигать в двигателях внутреннего сгорания и в различных топках. Ведь еще Д.И. Менделеев писал, что сжигать нефть - это все равно, что топить печь ассигнациями.Поиск альтернативных источников энергии осуществлялся с целью получать ее из возобновляемых и практически неисчерпаемых природных ресурсов. Во внимание принимались также экологичность, экономичность и безопасность этих видов топлива. Биотопливо является как раз одной из разновидностей неисчерпаемых природных ресурсов, поскольку для его производства используется биомасса, синтезированная за счет биологической конверсии солнечной энергии [3].В данный момент применение альтернативных источников энергии все еще ограничено, поскольку существующие до сих пор технологии использования этой энергетики, по сравнению с традиционной, являются довольно дорогими и недостаточно эффективными. В глобальном масштабе роль источников альтернативной энергии пока еще очень мала.К настоящему времени производство биотоплива в развитых странах фактически вступило в третий этап своего развития. На первом этапе, с 80-х годов и до конца XX века, в центре внимания науки и бизнеса находилось производство биогаза. Второй этап производства биотоплива начал формироваться в начале XXI века. Он заключался в производстве жидкого моторного топлива в виде биоэтанола и биодизеля, соответственно из зернового, сахаросодержащего и масличного сырья. На смену второму этапу уже идет третий, характеризующийся переходом к производству жидкого биотоплива в виде биобутанола, бионефти и других продуктов горения [3].2. Классификация биотопливаБиотопливо - топливо из растительного или животного сырья, из продуктов жизнедеятельности организмов или органических промышленных отходов [6].Биотопливо классифицируют следующими способами:по агрегатному состоянию;по поколениям [1].2.1 Классификация видов биотоплива по поколениямБиотоплива, как правило, делятся на первичное и вторичное. Первичные биотоплива используются в необработанном виде, в первую очередь для отопления, приготовления пищи и электричества, в основном, это топливная древесина. Вторичные биотоплива, такие как биоэтанол и биодизель производится путем переработки биомассы и могут быть использованы на транспортных средствах, а также в различных промышленных процессах. Вторичные биотоплива можно разделить на три поколения: первое, второе и третье поколение биотоплива на основе различных параметров, таких как тип технологии обработки, тип исходного сырья или по их уровню развития [1].2.1.1 Биотопливо первого поколенияПроизводится из любого сельскохозяйственного сырья сахара, крахмала, растительного масла и животного жира посредством применения надлежащих технологий (близкие к естественным биологические и термохимические процессы, такие как брожение). К этому виду топлива относятся биоэтанол и биодизель. Условная эффективность производства энергии из биомассы биотоплива первого поколения составляет примерно 50%.Основными источниками сырья являются семена или зерна. Например, семена подсолнуха прессуют для получения растительного масла, которое затем может быть использовано в биодизеле. Из пшеницы получают крахмал, после его сбраживания - биоэтанол. Однако такие источники сырья занимают место в пищевой цепочке людей и животных. А т.к. население земли растет и требует все больше пищи, то использование их для производства биотоплива уменьшит количество доступных продуктов питания и увеличит их стоимость, что недопустимо на фоне сегодняшнего голода во многих странах мира.Также многие виды биотоплива первого поколения зависят от субсидий и не могут соперничать по цене с существующими ископаемыми видами топлива (например, нефтью). Некоторые из них предоставляют лишь небольшое сокращение выбросов парниковых газов. Если принимать во внимание выбросы от производства и транспортировки, оценка жизненного цикла биотоплив часто превосходит таковую у традиционных ископаемых видов топлива.Основной недостаток производства биотоплива первого поколения - необходимость использования качественных пахотных земель, разнообразной тяжелой сельскохозяйственной техники, а также удобрений и пестицидов [1].2.1.2 Биотопливо второго поколенияТопливо, полученное разными методами пиролиза биомассы, или другие топлива, отличные от биометанола, биоэтанола, биодизеля. Производятся из не пищевого сырья (отработанные жиры и растительные масла, биомасса деревьев и растений). Быстрый пиролиз позволяет превратить биомассу в жидкость, которую легче и дешевле транспортировать, хранить и использовать. Из жидкости можно сделать автомобильное топливо или топливо для электростанций. Условная эффективность производства энергии из биомассы биотоплива второго поколения составляет примерно 50%.Технологически производство биотоплива второго поколения представляет собой процесс получения топлива посредством переработки целлюлозы и лигнина, содержащихся в древесной или волокнистой биомассе.Сорта биотоплива, производящиеся в наши дни, считают относящимися к первому поколению. Сейчас они производятся из ферментированного растительного сырья (биоэтанол) и разнообразных растительных масел (биодизельное топливо). Топливо второго поколения будет производиться по технологии сжижения газов (gas-to-liquids, GTL) Фишера-Тропша (Fischer-Tropsch).Технология включает в себя несколько стадий. Первая из них заключается в специальной обработке биомассы и получении из неё газообразных продуктов. Далее эти газы проходят очистку, перерабатываются в однородную смесь моноксида углерода и водорода, которая, в свою очередь, перерабатывается в жидкое топливо. Этот процесс был разработан в двадцатых годах прошлого века - однако вполне пригоден для изготовления поддающегося стандартизации химически однородного топлива. Таким образом, продукты обработки растительного сырья разлагаются до простых компонентов, которые затем можно синтезировать в высококачественное, лишенное примесей топливо.Сырьём для подобного производства может быть любая биомасса, включая отходы деревообрабатывающего производства и остатки пищи. Данный процесс пока что используется очень небольшим числом компаний, и пройдёт ещё немало времени, не менее десяти лет, пока топливо начнёт производиться в промышленных масштабах. Только после этого может раскрыться истинный потенциал биотоплива, без побочных эффектов в виде нанесения им вреда двигателям.Растения - источники сырья второго поколения:водоросли - простые живые организмы, приспособленные к росту и размножению в загрязнённой или солёной воде (содержат до двухсот раз больше масла, чем источники первого поколения, таких как соевые бобы);рыжик (растение) - растущий в ротации с пшеницей и другими зерновыми культурами;Jatropha curcas или Ятрофа - растущее в засушливых почвах, с содержанием масла от 27 до 40 % в зависимости от вида.Преимущество биотоплива второго поколения - сырье, необходимое для производства (растения) может выращиваться на менее благоустроенных землях, для их производства требуется минимум техники, удобрений и пестицидов.Главный недостаток производства биотоплива второго поколения - состав сырья и затраты. Лигноцеллюлоза - сложный полимерный углевод, требующий большего числа химических превращений и, соответственно, энергии для получения из него жидких топлив.Из лигноцеллюлозы растений получают биоэтанол. Производство биотоплива второго поколения, в настоящий момент, является очень капиталоемким процессом, т.к. пока соответствующие технологии весьма дороги [1].2.1.3 Биотопливо третьего поколенияБиотопливо третьего поколения - топливо, полученное из водорослей.Перспективность этого направления развития биотопливной отрасли связана со спецификой состава водорослей. По характеристикам, которые могут заинтересовать специалистов биотопливной отрасли, они значительно превосходят растения, средой обитания для которых является суша, в штамме водорослей содержание жиров составляет от 75 до 85% сухого веса.Водоросли рассматривают как наиболее перспективное сырьё для производства топлива из возобновляемых источников. Это связано, прежде всего, с быстрым размножением водорослей, дающим высокий прирост биомассы. С одной технологической площадки для культивирования биотопливных водорослей можно собирать до 40 урожаев в год, а около 80% органического вещества, создающегося ежедневно на Земле, приходится именно на водоросли.Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи электростанций. При размещении технологических площадок ниже сброса тепла ТЭЦ покрывается до 77% потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей.Большинство биотоплива третьего поколения планируется получать путем преобразования органического вещества в топливо, однако существует альтернативный подход, основанный на том, что некоторые водоросли от природы вырабатывают этанол, который можно собирать без уничтожения самого растения. Совместными усилиями двух компаний, Dow Chemical и Algenol Biofuels, был построен опытный биозавод, на котором под воздействием солнечного света идет преобразование углекислого газа,содержащегося в атмосфере, в этиловый спирт, который можно использовать как биотопливо или как сырье для получения пластиков. Это превращение происходит в биореакторах, заполненных одним из видов морских водорослей.Первый, экспериментальный, биозавод построен во Флориде и содержит всего 40 биореакторов. Компании планируют построить большой завод в штате Техас, который будет состоять 3100 биореакторов, занимая площадь 24 акра (97 125 кв. м). Эффективность такой технологии подтверждается тем фактом, что каждый биореактор может за год произвести более 1000 галлонов (3785 литров) этилового спирта, при этом цена этого биотоплива остается чрезвычайно низкой - менее одного доллара за галлон (4,5 литров).В настоящее время разработки способов выращивания микроводорослей и конструирование различных типов аппаратов для этого ведут многие корпорации, начиная от мировых гигантов в энергетической области, таких как Chevron, Shell, и заканчивая корпорациями De Beers, Nestle, для которых энергетический бизнес не является профильным, а также потребители топлива - компании Boing, Chysler, NextDiesel и т.д. Работы направлены на снижение себестоимости получаемой биомассы микроводорослей путем использования для выращивания открытых естественных водоемов, водоемов очистных сооружений, попутных газов электростанций, применения комбинированных способов использования открытых и закрытых систем для выращивания.По оценкам, которые приводят аналитики агентства "Cleandex", 200 тысяч га прудов могут производить топливо, достаточное для годового потребления 5% автомобилей США.При этом 200 тысяч га — это немного, для США это всего 0,02% земельного фонда, а для России - чуть более 0,01%.По данным экспериментов установлено, что с 1 акра (4 047 кв. м) водорослей можно произвести в 30 раз больше энергии, чем с акра наземных растений, таких как соя.По расчётам специалистов Boeing, если бы весь флот всех авиалиний мира использовал только биотопливо, полученное из морских водорослей, понадобилась бы 322 млрд. литров масла. С 1 га можно получать 6 500 литров в год. Можно рассчитать, что для выращивания этих водорослей потребуется площадь 50 млн га - также небольшая в масштабах Земли.На фоне растущих цен на минеральное топливо, инвесторы проявляют все больше интереса к разведению водорослей. Тем не менее, водорослевое топливо имеет и свои трудности при производстве: для выращивания водорослей необходима большая площадь. Министерство энергетики США полагает, что если заменить все нефтяное топливо в США на водорослевое, то на водорослевые фермы потребуется около 15000 кв. миль (38,849 кв. километров), что примерно соответствует площади штата Мэриленд или около 1/7 площади, отведенной под зерновые культуры. Также, водоросли любят высокую температуру, для их производства хорошо подходит пустынный климат, но требуется некая температурная регуляция при ночных перепадах температур.При этом, само выращивание водорослей должно иметь положительный экологический эффект - они, как и другие растения, в процессе фотосинтеза поглощают углерод, очищая воздух и снижая парниковый эффект.В России также ведутся разработки биотоплива третьего поколения.В 2008-2010 гг. в МГУП "Мосводоканал" были проведены работы по получению биомассы водорослей на биологически очищенной воде и переработке ее в биотопливо. Проработаны основные технологические этапы, выведен устойчивый биоценоз водорослей, дающий оптимальный прирост на очищенной воде, разработаны технические решения по созданию фотобиореактора.Специалисты из Новосибирского государственного университета, работающие совместно с Институтом катализа СО РАН, разрабатывают катализаторы и реакторы для производства биотоплива третьего поколения из микроводорослей. Биологи и химики из Новосибирска ищут интенсивный путь, через совершенствование процесса катализа и других технологий экстракции топливного сырья из водорослей [1].Для улучшения свойств микроводорослей возможно применение генетической и метаболической инженерии. С помощью этих методов авторам [1] удалось получить ряд микроводорослей с повышенным потенциалом образования липидов (таблица).Микроводоросли с повышенным потенциалом образования липидовПо мнению авторов [1], в настоящее время рассмотренный путь решения проблемы недостаточно исследован, что осложняет развитие генетической и метаболической инженерии микроводорослей. Для создания оптимальной экономически обоснованной технологии культивирования, позволяющей получать промышленно значимые объемымаслосодержащей биомассы микроводорослей, прибегают к различнымспособам культивирования. Выделяют два основных способа выращивания биомассы водорослей: в открытых прудах и фотобиореакторах [1–3, 5–8]. Главным недостатком применения открытого или закрытого способа культивирования по мнению Черновой Н. И. с соавторами [3] являются высокие затраты энергии, которые связаны с такими стадиями производства биотоплива, как перемешивание, перемещение суспензии в реакторе, экстракция, очистка и др. Именно к разработке оптимальной технологии направленно внимание многих зарубежных компаний. Существует около 200 компаний во всем мире, которые сфокусированы на производство топлива из водорослей [7]. Рис. Схема получения биодизеляКомпании Algenol, Inventure и другие используют для сбора микроводорослей фильтрацию, центрифугирование и флокуляцию. Компания GreenStar ввела гибридную систему открытого водоема и закрытого биореактора, которая сочетает контролируемую среду закрытого фотобиореактора с недорогим строительством системы открытых прудов. Микроводоросли можно получать, как отход очистки сточных вод. На основе такого подхода организовано получение биотоплива фирмой Aquaflow Bionomic в Новой Зеландии производительностью до 1000 т биодизельного топлива в год [7]. Основываясь на данных работ [2, 6, 7, 9], можно представить общую схему получения одного из самых распространенных видов биотоплива третьего поколения – биодизеля (рисунок). Таким образом, проведенный нами анализ преимуществ и недостатков использования липидосодержащих микроводорослей, а также существующих технологий получения биотоплива подтверждает, что биотопливо третьегопоколения имеет достаточный потенциал как альтернативный источник энергии. Для крупномасштабного производства данного вида биотоплива необходимо разрабатывать новые штаммы микроводорослей, отвечающие требованиям производства, усовершенствовать технологии, связанные с увеличением содержания липидов в биомассе микроводорослей и снижением затрат энергии на их культивирование. Следовательно, требуются дальнейшие исследования в области получения топлива с использованием микроводорослей.

Заключение

Мир вступает в эру биоэкономики, т.е. экономики, основанной на биотехнологиях, использующей возобновляемое сырье для производства энергии и материалов. Многие страны уже внедрили свои технологии, некоторые только выходят на этот рынок с новыми разработками. Но сказать можно одно - за растительным биотопливом будущее. Запасы нефти, газа и угля не бесконечны и практически не возобновляемы. Поэтому производить топливо придется из всего, что "попадется".
Список использованных источников

Аналитический отчет. Основные тенденции развития рынка биотоплива в мире и России за период 2000 - 2012 годов. ОАО "Корпорация развития". 2013.43 с.Варфоломеев С.Д., Моисеев И.И., Мясоедов Б.Ф. Энергоносители из возобновляемого получения сырья. Химические аспекты // Вестник РАН. 2009. Т.79. № 7.595 - 604 с.Назаренко Л.В., Биотопливо: история и классификация его видов. Актуальные проблемы естествознания // Вестник МГПУ. 2012. № 2 (10).16 - 32 с.Моисеев И.И., Платэ Н.А., Варфоломеев С.Д. Альтернативные источники органических топлив // Вестник РАН. 2006. Т.76. № 5.427 - 437 с.Фортов В.В., Макаров Л.А., Митрова Т.А. Глобальная энергетическая безопасность: проблемы и пути решения // Вестник РАН. 2007. Т.77. № 2.99 - 114 с.Биотопливо. [Электронный ресурс] // URL: https: // ru. wikipedia.org/wiki/Биотопливо (дата обращения 19.02.2015).Гиляров Алексей. Экологически безопасное топливо начинает угрожать дикой природе. [Электронный ресурс] // URL: https: // (дата обращения 19.02.2015).M. J. Groom, E. M. Gray, P. A. Townsend. Biofuels and biodiversity: Principles for creating better policies for biofuel production // Conservation Biology. 2008.Y. Chisti. Biodiesel from microalgae // Biotechnology Advances. 2007. V.25.294-306 P.