АГРОБИО ТЕХНИКА - растениевъдство, животновъдство, биоенергетикагодина VI, брой 5, 2018

Биогорива – разумната алтернатива

В световен мащаб нараства търсенето на изкопаеми горива, но в същото време тенденцията е за намаляване добива им, поради ограничените залежи и експлоатацията на все по-трудно достъпни находища. Масовото използване на конвенционални горива води не само до драстично намаляване на наличните количества, но и до негативни последици за околната среда, които директно рефлектират върху здравето на населението и качеството на живот. Целите на съвременното обещество са насочени към осигуряване на сигурност и диверсификация на енергийните доставки, разработване на алтернативни източници на горива, усъвършенстване технологиите за тяхното усвояване и преработване и не на последно място намляване емисиите на праникови газове.
Използването на биогорива като заместител на стандартните горива е част от политиката на Европейския съюз за постигане на изброените по-горе цели. Регламентирано е, че към стандартните течни горива трябва да се добавя и биокомпонент. По този начин се стимулира намаляване на вредните емисии, голяма част от които се генерират от транспортния сектор. В резултат на общите усилия през последните години, бизнесът, научните и държавни институции могат да се похвалят с разработването на четири поколения биогорива, които се получават от различни суровини. Въпрос на време е тяхното масово интегриране в транспортния сектор.


В днешно време ефективната транспортна система е от изключително значение за развитието на световната икономика. Свободното, комфортно и достъпно придвижване се приема за даденост от съвременния човек. Интеграцията на националните пазари, общият икономически подем и по-високите доходи на хората допринасят за интензивното развитие на транспортния сектор.

Ползите от развитието на транспорта са неоспорими, но те си имат своята висока цена – транспортът се посочва като стопанския сектор с най-пагубно въздействие за околната среда. В момента около 70% от изхвърляните в атмосферата парникови газове са резултат от транспортния сектор. Основните замърсители, които се генерират са въглероден диоксид и азотни оксиди. Въглеродният диоксид се получава в резултат на непълното изгаряне на горивото в бензиновите двигатели. Той е опасен за здравето газ, който нарушава снабдяването на организма с кислород чрез кръвта. Азотните оксиди са резултат от изгарянето на горивата при високо налягане и температура, допринасяйки индиректно за образуването на киселинните дъждове. NOx имат пряка роля за парниковия ефект и разрушаването на озоновия слой. При непълното изгаряне на горивата и вследствие на изпарение от двигателите и бензиностанциите се отделят летливи органични съединения. Фини прахови частици се образуват най-вече при работата на дизеловите двигатели - около 50 пъти повече, отколкото при бензиновите. Те могат да останат във въздуха продължително време, като допринасят съществено за образуването на смог. Фините твърди частици са опасни за здравeто - те могат да проникнат и останат завинаги в белите дробове, предизвиквайки заболявания на дихателната система.

Увеличаващите се нужди от транспорт са неизбежен резултат от наслагването на няколко фактора като икономически растеж, промени в структурата на промишлеността, по-интензивен пренос на товари, както и социално-икономически причини, свързани с растящите доходи и интереса към повече пътувания. Факт е, че няма моторизиран транспорт, който да е безвреден за околната среда. Ето защо е необходимо съсредоточаване на усилията на човечеството към търсене на алтернатива на конвенционалните горива. Такава алтернатива е използването на биогорива.

Биогорива са тези горива, които се получават от биологични суровини от растителен или животински произход. Тяхното предимство е органичният им произход, тъй като те представляват преработена биомаса. Биогоривата са основен заместител на изкопаемите горива и могат да се използват като алтернативно гориво в транспорта. По-широкото приложение на биогоривата в различни сектори ще доведе до намаляване на общите емисии от парникови газове, подобряване на екологичната обстановка и качеството на живот.

Видове биогорива
Терминът „биогориво“ има много широк смисъл и обхваща всички варианти на алтернативно гориво, което е извлечено от неизкопаеми биологични материали. Повечето биогорива се правят от животински и растителни селскостопански отпадъци или други органични материали, с тенденция да заменят конвенционалните и невъзобновяеми горива. Биогоривата са по-скъпи от т.нар. изкопаеми горива: нефт, газ, въглища, но при изгарянето си отделят няколко пъти по-малко вредни емисии като въглероден диоксид, серен диоксид и др.

Биогорива се наричат всички видове течни, твърди и газообразни горива, които се произвеждат от биологични суровини.

Биогорива от първо поколение са горива за транспорта, произведени от биомаса, получена от земеделски култури, богати на скорбяла, захари и масло, която действително или потенциално се счита за хранителна. Основни суровини са пшеница, царевица, соя, захарна тръстика и слънчоглед. Крайният продукт при ферментиране на нишестето на зърното е биоетанол, а семената на маслодайните растения се пресоват до получаването на растителни масла, от които се произвежда биодизел. Основен недостатък на това поколение биогорива е, че суровините, използвани за производство, могат да служат като храна за животните или за хората. Този факт поражда дискусия за приоритетното използване на земеделската земя и културите.

Биогорива от второ поколение са горива за транспорта, произведени от биомаса, която действително или потенциално не се счита за хранителна. Може да бъде получена от лигноцелулозни материали, отпадъци от селскостопанската и горската дейност, остатъци или специално отглеждани енергийни култури например рапица. Крайният продукт може да бъде еквивалентен на горивата, произведени от първото поколение технологии, а може да бъде и различен тип съвременно биогориво, като биодиметилов етер, биосинтетичен газ, биоводород или биокеросин. Като цяло, тези биогорива се считат за по-устойчиви, тъй като суровините и методите, използвани за получаването им предлагат по-голямо редуциране на емисиите от парникови газове и не се конкурират с хранителни култури за използване на земята.

Биогорива от трето поколение са горива за транспорта, произведени от биомаса, получена от аквакултури, която действително или потенциално не се счита за хранителна. Има два начина за култивиране на аквакултурите - единият е с отглеждане на културата в затворени фотобиореактори, в които се контролират физико-химичните параметри, а другият е в открити водоеми, в които се разпространява хранителна среда, за да се гарантира оптимално развитие на водораслите. Системите са много чувствителни към замърсяване, но риск от такова има само при откритите водоеми.

Биогорива от четвърто поколение са горива за транспорта, произведени от генетично подобрени суровини, които усвояват максимално количество въглерод и генетично оптимизирани микроорганизми, които ги преработват ефективно в биогорива. Четвъртото поколение биогорива се характеризира с подобрение както на суровината, така и на преработващите бактерии. Постига се много по-бърз растеж, което означава по-бързо трансформиране в биогориво. Открити са начини за увеличаване на дневния растеж на микроводораслите с 30-40%, което може да доведе до голям напредък в производството на биогорива. Масовото производство на биогорива от този тип поражда дискусия за необходимостта и границите на използване на генно модифицирани култури.

Към момента единствено биогоривата от първо поколение се произвеждат в промишлени количества. Трите най-разпространени вида биогорива от този тип са биоетанолът, биодизелът и растителните масла. Биоетанолът се използва в безиновите двигатели, а биодизелът – в дизеловите двигатели. В настоящият момент тези горива се добавят към традиционните горива в определена пропорция, без да е необходимо да се внасят каквито и да са изменения в конструкцията на съществуващите автомобилни двигатели.

Биоетанол
Биоетанолът се произвежда от растителни захарни култури, скорбялни или целулозни суровини. Основната технология за преобразуването на биомасата в етанол е ферментацията, последвана от дестилация. Етанолът в момента се произвежда в големи количества при ферментиране на захарни или скорбялни остатъци от земеделски суровини. Културите, използвани за производството на етанол, варират според региона и могат да бъдат: захарна тръстика, жито, царевица, захарно цвекло, остатъци от винено грозде и др. Основният материал за биоетанола е захар, от която, с помощта на ензи-ми и квасна гъба, се получава алкохол. Докато растенията, съдържащи захар ферментират директно, действителната алкохолна ферментация на растенията, съдържащи скорбяла се предхожда от ензимна реакция на растителния материал. Процесът на ферментация приключва, или когато захарта бъде използвана, или когато се постигне максимална концентрация на алкохол. Полученият етилов алкохол – биоетанол, се отделя чрез дестилация. За да може да се използва алкохолът като гориво, се извършва дехидратация. Остатъчната вода се извлича от алкохола, и се получава окончателно биоетанол с чистота над 99%. За да се намали цената на етанола, може да се използва евтина лигноцелулозна биомаса, която да замени скъпите захарни и скорбялни суровини. Лигноцелулозни култури са дървеният материал, сухите остатъци от захарните култури, царевична слама, или енергийни култури като коноп, просо и др. Целулозният състав на тези материали се превръща във ферментиращи захари, които пък от своя страна се превръщат в етанол, който е напълно биоразградим. Биоалкохолите могат да се използват като чисти горива за работа на бензинови двигатели или смесени с традиционните бензини без необходимост от модифициране на двигателите. Биоетанолът се използва предимно като добавка към горивото за намаляване на въглеродния оксид и други вредни емисии, отделяни от превозните средства. Статистиката показва, че използването на десет процентна добавка на биоетанол към бензина води до намаляване с 30% на съдържанието на въглероден оксид, до 50% на твърди частици в изгорелите газове, до 19% на парниковите газове и до 25% на смога. Като цяло токсичността на изгорелите газове се намалява с около 21%.

Биоетанолът се смесва с бензина без допълнителна термична обработка. Е5 – съдържа 5% биоетанол и 95% бензин, при него не се налагат промени в двигателя, Е10 - съдържа 10% биоетанол и 90% бензин, също не се налагат промени в двигателя, Е25 – съдържа 25% биоетанол и 75% бензин и се налагат минимални промени в двигателя. Е50 съдържа 50% биоетанол и 50% бензин, а Е85 съдържа 85% биоетанол и 15% бензин като в този случай се налагат сериозни промени в двигателя.

Световен лидер в производството на биоетанол е Бразилия, където той се прави от захарна тръстика и е с най-ниска цена. В САЩ, вторият световен лидер, за производството му се изразходва около 40% от царевичната реколта. В Европа биоетанолът се получава главно от захарно цвекло и пшеница и неговата цена е доста по-висока. В двата основни производителя – Испания и Франция, етанолът не се влага директно, а под формата на негово съединение – етил-терциален бутил етер, което, за разлика от етанола, не е хигроскопично и не застрашава детайлите на двигателя от корозия.

Предимства на биоетанола: произвежда се от достъпни суровини; съхранява се като традиционните горива; има добри екологични характеристики и е с високо октаново число. Биоетанолът притежава и следните недостатъци: химически активен е към гумените и алуминиеви детайли; като добавка към бензина намалява мощността на двигателя, поради по-ниската му топлина на изгаряне; запалителната система на двигателя трябва да бъде по-високоенергийна при добавяне на по-големи количеста биоетанол.

Биодизел
Биодизелът се произвежда при естерификация на растително масло, извлечено от маслодайни култури - рапица, соя и слънчоглед. Естерификацията се състои в трансформация на молекулите на растителното масло в молекули, подобни на дизеловите въглеводороди – скъп процес, който прави цената на биодизела по-висока от тази на минералния дизел. Обикновено от 1t масло и 110kg метанол се произвежда 1t биодизел и 110kg глицерин. Характеристиките на биодизелът са много близки до тези на минералния дизел. Био вариантът може да се използва в съществуващите дизелови моторни превозни средства в смес с минералния дизел - в каквато и да е пропорция. Неговото енергийно съдържание е по-ниско с около 8%, но има по-висока плътност на горивото и по-добри качества на запалване. Биодизелът е абсолютно съвместим с всеки вид дизелов двигател. Нещо повече – не са нужни никакви модификации на двигателя. Единственият проблем, който би възникнал, е при по-стари, неподдържани двигатели – тъй като биодизелът е добър разтворител, е нужно да бъдат подменени старите каучукови маркучи. За превозните средства със синтетични маркучи не са необходими никакви допълнителни действия. При първоначална употреба е необходимо да не се използва в чист вид, а в малка концентрация в горивото. Биодизелът е с идеални почистващи качества и при висока концентрация би могъл наведнъж да премахне всички мръсни напластявания в мотора и да блокира филтрите. След няколко зареждания, обаче, може да се премине на изцяло чист биодизел. Схемата на разреждане, която се препоръчва, е с първоначални 5% биодизел в останалото гориво, следващия път – 10% и т.н. Именно заради почистващите свойства на биодизела е необходимо, след първите две-три зареждания, да се смени филтъра. При използването на биогоривото ще се разтворят всички катрани, смоли и лакове, напластени от обикновения дизел.

Към момента цената на биодизела все още е по-висока, отколкото тази на минералния дизел. Биодизеловите горива в момента са B5, в които има 5% биодизел и 95% обикновен дизел. Краткосрочната цел е да се премине към използване на биодизел B20 - 20% био-дизел и 80% обикновен дизел. Това все още не е възприето като масова практика заради някои притеснения на производителите на автомобили. Принципно е възможно за задвижване на автомобилите да се използва и гориво B100 – 100% биодизел. Една от пречките е, че той има по-висока температура на замръзване. Биодизелът започва да се сгъстява при 0°С. Предвид зимните условия в нашата страна използването на биодизел в по-големи концентрации е неприемливо. При обикновения дизел температурата на замръзване е около минус 15°С. Точно заради това е прието да се използва гориво B5, при което температурата на замръзване остава почти същата.

Основният материал за производство на биодизел са растителните масла. Едно от най важните растения в Европа, от което се добива масло, е рапицата. Други растения, от които се добива масло, са слънчоглед и соя. Животинските мазнини също могат да се използват за производството на биодизел. Рапичното семе се пресова в рафинерии и се получава рапично масло. Полученият рапичен шрот се използва като протеин в хранително-вкусовата промишленост. Пресованото растително масло се превръща чрез проста химическа реакция в биодизел. С помощта на катализатор напр. основен разтвор на калиев карбонат, и при добавяне на приблизително 20% метанол, се извършва фрагментация на растителното масло. Освен биодизел, като съпътстващ продукт се получава и глицерин. Излишният метанол се отделя чрез дестилация и се влага отново в процеса.

Растителни масла
Растителното масло e мазнина, получена от маслодайни и етерично-маслени култури чрез механичното им пресоване или извличането є по химически път. Въпреки че, много части от растенията могат да служат за извличане на масло, то се добива основно от семената. Растителните масла съдържат естери на мастни киселини и глицерол.

Растителното масло може да бъде ползвано като гориво без никаква преработка. По своята химическа природа растителните масла са естери на глицерина с висшите мастни киселини. Молекулата им съдържа атоми на въглерод и водород - също като петрола, но съдържа и около 11% атомна маса кислород. Модерните дизелови двигатели могат да използват масло - слънчогледово, рапично и др., като гориво. Необходимо е само то да бъде затопляно, за да стане по-течно.

Употреба на биогоривата в селскостопаснки машини
Използването на биогорива в селскостопаснските машини е обещаваща възможност за пстигане на глобалните цели за намаляване генерираните парникови газове. Чистото растително масло е интересна алтернатива сред биогоривата, тъй като произвосдтвото му може да се осъществи в самата ферма и да се използва директно в селскостопаснките машини. По този начин се затваря цикъла на производство и употреба. За да може да се използва такова студено пресовано растително масло е необходимо двигателите на машините да бъдат адаптирани. Освен това, самото масло също трябва да отговаря на строги изискавия за качество, с цел осигуряване на надеждна и дълга експлоатация на двигателите.

Днес, произвежданите дизелови двигатели могат да се приспособят за използване на растителни масла като се върнат в по-първичния си вид. Такова преобразуване на двигатели се предлага от специализирани центрове за предкамерни двигатели, двигатели с директно впръскване и системи помпа-дюза. Преобразуваните системи могат да са с един и с два резервоара. Освен приспособяване на традиционни дизелови двигатели, съществува и алтернатива от специално разработени двигатели, които работят с течно растително гориво със специфични качества. Те могат да са предкамерни и с директно впръскване. Двигателите, специално разработени за работа с растителни масла, са все още рядкост, а приспособяването на конвенционалните се оказва по-скъпо от приспособяването на горивото, т.е. използване на боидизел. Въпреки това, икономическата рентабилност на всяко решение се определя според специфичните обстоятелства на всеки конкретен случай.

Вече са разработени и селскостопански машини, които автоматично разпознават различните видове минерални и био горива. Създадени са с един резервоар за дизел и дизеловите заместители като биодизел, биогорива или всякакви смеси от тези горива. По този начин се осигурява удобство, гъвкавост и ефективно намаляване на разходите, като в същото време се осигурява решение за постигане на целите за намаляване генерираните парникови газове.

За покриване на собствените нужди на едно стопанство е необходимо едва около 10% от неговите площи да бъдат използвани за добив на растително масло, което да се използва като гориво. Европа внася около 80% от необходимите є растителни протеини, но тази статистика може да бъде променена. При пресоване на маслодайните семена само една трета от тях ще бъдат използавни за получаване на масло. Две трети от семената са преосвана утайка, която е фуражен белтък, който може да замени вноса на протеин. По този начин растителното масло може да се разглежда като страничен продукт на по-значимото и необходимо производство на протеини.

Дискусията „за” или „против”
Най-широко използвани все още са биогоривата от първо поколение. Тъй като те се произвеждат от биомаса, получена от земеделски култури, които действително или потенциално се считат за хранителни, в обществото възникна въпроса за приоритетното използване на земеделската земя и културите. Насочването в световен мащаб на огромен ресурс от суровини, които по своята същност са храни за човека и селскостопанските животни, към производството на биогорива, води до значително повишаване на цените на храните и увеличаване процента на гладуващите жители на планетата. Освен това, огромни площи се разорават и се засяват култури, използвани за добив на биогорива, което има негативни последици за флората, фауната и микроклимата в съответните територии.

От друга страна, не трябва да пренебрегваме факта, че чрез производството на биогорива от първо поколение може да се обезпечи нуждата на Европа от внасяне на растителни протеини за хранително-вкусовата промишленост.

Основните проблеми на обществото в началото на XXI век са свързани с нарастване на световното население, неговото изхранване, свръх консумацията на изчерпаеми ресурси и безразборното замърсяване на всички компоненти на околната среда. Науката и техниката се развиват с изключително бързи темпове в стремежа си да намерят решение на изброените проблеми. Използването на биогорива от нехранителни суровини, т.е. биогорива от второ и трето поколение, е един от начините за постигане на добри резултати в проблемните области. Тяхното производство все още няма промишлен мащаб, но бъдещето е именно в масовото им разпространение.