Реакция разложения водорода - Н2 + 0,5О2 = Н2О - сопровождается выделением большого количества энергии (285,8 кДж/моль). При этом не происходит никакого загрязнения атмосферы, так как в результате реакции образуются только пары воды. В результате химических процессов образуется водород и карбонат кальция, который, в свою очередь, можно использовать в сельском хозяйстве для раскисления почвы.
В настоящее время во всём мире ежегодно производится около 50 млн тонн водорода. Из них примерно 48 % производится из природного газа, 30% из нефти, и 18 % из угля. При производстве водорода из углеводородов получается большое количество СО2, который является одной из причин глобального потепления. К тому же не все страны обладают собственными углеводородами. Решением этих проблем может стать производство водорода из биомассы. Водород из биомассы получается термохимическими или биохимическим способом.
Термохимический способ. При термохимическом способе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500-800°C (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, CO и CH4. Себестоимость процесса $5-7 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до $1,0-3,0.
Биохимический способ. В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes, Enterobacter cloacae. Возможно применение различных энзимов для ускорения производства водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), содержащихся в биомассе. Процесс проходит при температуре 30°C и нормальном давлении. Себестоимость водорода около $2 за кг.
В настоящее время разрабатывается научно-исследовательская часть проекта получения биоводорода микробиологическим путем с использованием принципов, аналогичных тем, которые используются для получения биогаза.
Методом бутилового брожения сахарозы или крахмала с 1 тонны мелассы можно получить до 140 м3 водорода, 1 т стеблей сладкого сорго - 50 м3, 1 т картофеля - 42 м3. При ацетонбутиловом брожении с 1 т картофеля получают 25 м3 водорода, тогда как 1 т стеблей сладкого сорго дает 30 м3. Биоводород можно получать термомеханическим способом из отходов древесины, однако себестоимость данного метода пока слишком высока.
Применение водорода на транспорте и в энергетике в настоящее время ограничено отсутствием развитой инфраструктуры, ограничиваясь созданием концептуальных моделей водородных автомобилей и техники, работающей на топливных водородных элементах. Усложняют возможность использования водорода в качестве топлива и проблемы безопасности: водород может создавать с воздухом взрывоопасную смесь - гремучий газ; сжиженный водород обладает исключительными проникающими свойствами, требуя применения особых материалов. Однако, по экологическим параметрам безопасности, водороду нет равных.
Синтез-газ (сигаз) - смесь газов, главными компонентами которой являются СО и Н2; используется для синтеза разных химических соединений.
В настоящее время синтез - газ производят конверсией природного газа либо нефтепродуктов (от легкого бензина - нафты до нефтяных остатков) и лишь в небольших масштабах химической переработкой древесины, а также газификацией углей. В зависимости от применяемого сырья и вида конверсии (водяным паром или нестехиометрическим количеством О2) соотношение компонентов в газовой смеси изменяется в широких пределах.
Синтез - газ получают также наряду с целевым продуктом ацетиленом при окислительном пиролизе природного газа. Основные направления переработки синтез - газа: производство Н2 и метанола; небольшие количества используют в оксосинтезе и синтезе Фишера-Тропша [1].
Самыйраспространенный представитель вида - дрова. В настоящее время для производства дров или биомассы используются энергетические леса - это быстрорастущие породы древесины, кустарников и трав (ива, тополь, эвкалипт, акация, сахарный тростник, кукуруза и др.). Посадку производят квадратно-гнездовым способом или в шахматном порядке. В междурядьях из деревьев часто высаживают сельскохозяйственные культуры (так называемые, комбинированные посадки). Период ротации энергетического леса (от срезания до срезания) составляет 4-6 лет.
Экологические достоинства энергетической биомассы:
предупреждение эрозии почвы;
при сжигании биомассы, в атмосферу выделяется только CO2, поглощенный при ее росте.
Топливные брикеты - высушенные и брикетированные энергоносители биологического происхождения, например, навоз и биологические отходы с минимальной степенью подготовки к сжиганию (опилки, щепа, кора, лузга, солома, шелуха и т.д.).
Древесные топливные гранулы (ДГТ, пеллеты) - топливный продукт, полученный прессованием древесных отходов (опилок, щепы, коры, некондиционной древесины и др.), соломы, отходов сельского хозяйства (навоза, куриного помета, лузги подсолнечника, ореховой скорлупы,) и другой биомассы. ДГТ экологически чистое биотопливо, зольность которого не превышает 3 % [1].
Биотоплива, 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].
Производится 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].
Топливо, 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%.
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].
Биотопливо 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.