Материал: Биотопливо - перспективное направление биотехнологии

Биотопливо - перспективное направление биотехнологии

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

"Рязанский государственный университет имени С.А. Есенина"

РГУ имени С.А. Есенина

Реферат

"Биотопливо - перспективное направление биотехнологии"

Учебный предмет: Введение в биотехнологию

Выполнил (а):

Иванова Каролина Александровна,

ЕГФ 4 курс, группа 5102, Б1.

Проверил:

доц. Сазонов В. Ф.

Рязань 2015

Содержание

Введение

1. История возникновения биотоплива

2. Классификация биотоплива

2.1 Классификация биотоплива по агрегатному состоянию

2.1.1 Жидкое биотопливо

2.1.2 Газообразное биотопливо

2.2 Классификация видов биотоплива по поколениям

2.2.1 Биотопливо первого поколения

2.2.2 Биотопливо второго поколения

2.2.3 Биотопливо третьего поколения

3. Отрицательное воздействие биотоплива

Заключение

Выводы

Список использованных источников

Введение

Актуальность работы: 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].

Цель данной работы является описать альтернативные источники топлива.

Для достижения поставленной цели предполагается решить комплекс взаимосвязанных задач:

1.      По литературным данным рассмотреть основные виды биотоплива;

2.      Рассмотреть основные плюсы и минусы биотоплива.

Объектом исследования является растительное и животное сырье.

Предметом исследования является учебная и научная литература, интернет - источники.

биологическое топливо агрегатное состояние

1. История возникновения биотоплива

B 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 биотоплива

Биотопливо - 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 биотоплива по агрегатному состоянию

Схема 1 - Классификация видов биотоплива по агрегатному состоянию [1]

2.1.1 Жидкое биотопливо

Жидкое биотопливо - вещество, получаемое в ходе переработки растительного сырья (кукурузы, рапса, сахарной свеклы, сахарного тростника), средствами технологий, в основе которых лежит использование естественных биологических процессов (например, брожения) является перспективным классом биотоплива. Его получают из самых разнообразных растений - от пшеницы и сахарной свеклы, до рапса и отходов деревообработки. Основное применение - двигатели.

Жидкое биотопливо подразделяется на:

биоэтанол;

биометанол;

биобутанол;

диметиловый эфир;

биодизель.

Биоэтанол - это обычный этанол, используемый как биотопливо и получаемый путем переработки растительного сырья - сахарного тростника, зерна и сахарной свеклы, а также рапсового метилового эфира из семян рапса. Наибольшая доля мирового производства жидкого (моторного) биотоплива приходится на биоэтанол.

Существует 2 основных способа получения биоэтанола - микробиологический (спиртовое брожение) и синтетический (гидратация этилена). Следствием брожения является раствор, содержащий не более 15% биоэтанола, поскольку в более концентрированных растворах дрожжи обычно гибнут. Полученный таким образом биоэтанол нуждается в очистке и концентрировании, обычнопутем дистилляции. В промышленных масштабах этиловый спирт получают из сырья, содержащего целлюлозу (древесина, солома), которую предварительно гидролизуют. Смесь, образовавшаяся при этом, подвергают спиртовому брожению.

Биоэтанол по сравнению с бензином является менее "энергонасыщенным" источником энергии. Пробег машин, работающих на Е85 (смесь 85% этанола и 15% бензина; буква "Е" от английского Ethanol) на единицу объема топлива составляет около 75% от пробега стандартных машин. Обычные машины не могут работать на Е85, хотя двигатели внутреннего сгорания работают на Е10. На "настоящем" этаноле могут работать только т. н. "Flex-Fuel" (этанольно-гибридные) машины. Эти автомобили могут работать на обычном бензине или на произвольной смеси того и другого. Причина популярности биоэтанола - экономическая эффективность его производства, т.к. при урожайности семян рапса 2-4 т/га с 1 гектара можно получить 1-1,5 тонны биоэтанола и 2-2,5 тонны высококачественных растительных кормов. Характеристики моторного топлива, получаемого из растений, близки к показателям минерального топлива. При этом вредные выбросы при его использовании топлива существенно меньше.

Одной из важнейших характеристик биоэтанола является топливный баланс (соотношение энергии выделяемой топливом к энергетическим затратам на его производство).

Серьезным недостатком биоэтанола является то, что при сгорании этанола в выхлопных газах двигателей появляются альдегиды (формальдегид и ацетальдегид), которые наносят живым организмам не меньший ущерб, чем ароматические углеводороды.

В 2011 году из примерно 103,2 млрд. литров этанола, произведенного в мире, более 80 % (86,1 млрд. литров) были использованы в качестве биотоплива. Мировым лидером в области производства биоэтанола являются США - 54,2 млрд. литров, далее следует Бразилия - 22,9 млрд. литров.

Биоэтанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного тростника, а в США - из кукурузы.

Производство биоэтанола из тростника на сегодняшний день экономически более выгодно, чем из кукурузы. Федеральное правительство США предоставляет производителям биоэтанола налоговый кредит (но не субсидии) до $0,51 за галлон биоэтанола. Бразильский биоэтанол дёшев из - за низких заработных плат у сборщиков сахарного тростника.

Биометанол - вид жидкого биотоплива на основе метилового (древесного) спирта, получаемого путем сухой перегонки отходов древесины и конверсией метана из биогаза. Производство биомассы может осуществляться путем культивирования фитопланктона в искусственных водоемах, создаваемых на морском побережье.

Сейчас данное направление производства биотоплива считается одним из самых перспективных, т.к. отличается от других более высокой выработкой биомассы (до 110 т/га фитопланктона в год), отсутствием серьезных требований к производственной площадке (не требуются плодородные почвы и пресная вода, т.е. процесс не создает конкуренции сельскому хозяйству) и высоким уровнем энергоотдачи.

Вторичные процессы представляют собой метановое брожение биомассы и последующее гидроксилирование метана с получением метанола.

Это, а также недостаточная летучесть чистого спирта, объясняет необходимость смешивания метанола с бензином. Стандартом является биометанол М85 (буква "М" от англ. Methanol), содержащий 85% метилового спирта и 15% бензина.

Метанол - яд, действующий на нервную и сосудистую системы. Токсическое действие метанола обусловлено так называемым "летальным синтезом" - метаболическим окислением в организме до очень ядовитого формальдегида. Приём внутрь 5-10 мл метанола приводит к тяжёлому отравлению (одно из последствий - слепота), а 30 мл и более - к смерти.

При применении метанола в качестве топлива следует отметить, что объемная и массовая энергоемкость (теплота сгорания) метанола на 40-50 % меньше, чем бензина, однако при этом теплопроизводительность спиртовоздушных и бензиновых топливовоздушных смесей при их сгорании в двигателе различается незначительно по той причине, что высокое значение теплоты испарения метанола способствует улучшению наполнения цилиндров двигателя и снижению его теплонапряженности, что приводит к повышению полноты сгорания спиртовоздушной смеси. В результате этого рост мощности двигателя повышается на 10-15 %. Двигатели гоночных автомобилей работающих на метаноле с более высоким октановым числом чем бензин имеют степень сжатия, превышающую 15: 1, в то время как в обычном карбюраторном ДВС степень сжатия для неэтилированного бензина как правило не превышает 10.1:

. Метанол может использоваться как в классических двигателях внутреннего сгорания, так и в специальных топливных элементах для получения электричества.

Достоинства биометанола:

низкий объем выбросов углекислого газа;

возможность организовать переработку (рециклинг) отходов животноводства и сельского хозяйства.

Недостатки биометанола:

низкий энергетический КПД - максимум 68%;

бесцветное пламя, что может привести к аварийным ситуациям;

срок окупаемости проекта - до 20 лет;

метанол травит алюминий. Проблемным является использование алюминиевых карбюраторов и инжекторных систем подачи топлива в ДВС.

гидрофильность. Метанол втягивает воду, что является причиной засорения систем подачи топлива в виде желеобразных ядовитых отложений.

метанол, как и этанол, повышает пропускную способность пластмассовых испарений для некоторых пластмасс (например плотного полиэтилена). Эта особенность метанола повышает риск увеличения эмиссии летучих органических веществ, что может привести к уменьшению концентрации озона и усилению солнечной радиации.

уменьшенная летучесть при холодной погоде: Моторы, работающие на метаноле могут иметь проблемы с запуском и отличатся повышенным расходом топлива до достижения рабочей температуры.

метанол может сравнительно быстро попасть в источники питьевой воды и отравить её. Этот сценарий исследован пока недостаточно, но к сожалению существует опыт утечки Метил - трет-бутилового эфира и загрязнения воды.