АГРОБИО ТЕХНИКА - растениевъдство, животновъдство, биоенергетикагодина VI, брой 7, 2018

Teчни биогорива

Teчни биогорива

Увеличаването на броя на превозните средства в последните години, води до все по-голямо замърсяване на атмосферата с въглеродни съединения отделяни от петролните горива. Налага се необходимостта от намиране на алтернативни енергийни източници, с които да се намалят емисиите на парниковите газове-предимно въглероден диоксид. Целта е да се намали негативното им въздействие върху климата на Земятa. Въпросът за производството на течни биогорива-биоетанол и биодизел, става все по актуален във връзка с опазването на чистотата на въздуха в градовете и подобряването на икономическото положение в селските райони. Биоетанолът и биодизелът се произвеждат от естествено възобновяеми растителни енергийни култури с емитиране на по-малко парникови газове в сравнение с петрола.
В статията ще разкажем за нормативните изисквания, източниците на производството, транспортните характеристики и методите за производство на течните биогорива, за производството на биоетанол и биодизел.


Според Закона за енергията от възобновяеми източници, в сила от 17.07.2012 г., лицата, които пускат на пазара течни горива от нефтен произход в транспорта, са длъжни при освобождаване за потребление по смисъла на Закона за акцизите и данъчните складове, да предлагат петролните горива за дизелови и бензинови двигатели, смесени с биогорива. Процентното съотношение на смесване на горивата за дизеловите двигатели със съдържание на биодизел, от 1 юни 2012 година е минимум 6 обемни процента, а за бензиновите със съдържание на биоетанол или етери произведени от биоетанол, от 1 март 2016 година е минимум 9 обемни процента.

Търговците са длъжни да обявяват в местата за продажба процентното съдържание на биогоривата в течните горива от нефтен произход, когато то надвишава 10 обемни процента биоетанол и 7 обемни процента биодизел.

Според законодателните предложения на Европейската комисия, в държавите-членки на Европейския съюз, използването на биогоривата в транспортните средства трябва да достигнат 10-процентен дял към 2020 г. Половината от тях трябва да се произвеждат от отпадъчна биомаса на енергийни култури или селскостопански отпадъци. Например, от слама, но не от хранителни селскостопански култури. След 2020 година се предвижда да няма данъчни облекчения за биогоривата, произведени от растително-хранителни култури.

Растителни източници за производство на течни биогорива
Растенията се състоят от около 25% лигнин и 75% въглехидрати или захари. Въглехидратната част е съставена от много молекули захар, свързани в дълги полимерни вериги. В лигниновата част, природата използва дълги целулозни полимерни вериги за изграждане на тъканта, която осигурява структурата и устойчивостта на растението.

Суровините за производство на биоетанол са растителните култури-захарна тръстика, захарно цвекло, както и културите с високо съдържание на скорбяла-царевица и пшеница. Приложение намират също и отпадъчни продукти от захарните заводи. Екологичен интерес представлява възможността за производство на биоетанол от второ поколение-отпадъчна лигно-целулозна биомаса. Последната се състои от полимерите-целулоза и хемицелулоза. Те могат да се превърнат в захари, необходими за производството на биоетанола. Тази технология все още е на пилотни и демонстрационни инсталации.

Суровините за производство на биодизел са маслодайни култури, като слънчоглед, рапица и соя. След преработването им, те се превръщат в сурови растителни масла за производство на биодизел. Освен тях могат да се използват отработени растителни масла и животински мазнини от заведенията за обществено хранене.

Tечните биогорива като транспортни горива
Биоетанолът е чиста безцветна течност с остра миризма. При аварийно изтичане не причинява опасно замърсяване на околната среда. Има по-ниска токсичност от конвенционалните горива, и е бързо биоразградим. При изгарянето му се отделят въглероден диоксид и вода. Не се освобождава повече въглероден диоксид от свързания в растителната култура чрез фотосинтезата.

Като гориво етанолът е високооктаново гориво. Явява се октанов подобрител на петрола. Установено е, че допустимото процентно съдържание в сместа с бензина без изменения в двигателя за вътрешно горене, е 20%. Както споменахме по-горе, изискванията на Закона, са от 1 март 2016 година процентното съотношение на смесване на горивата за бензиновите двигатели със съдържание на биоетанол да е минимум 9 обемни процента.

Предимство на биоетанола е високото му октаново число и лесното му приложение в запалителните системи на транспортните средства. При изгарянето му в двигателите, се намаляват нивото на полицикличните ароматни съединения с 75-85%, количеството на отделяния въглероден оксид във въздуха и неизгорелите въглеводороди. Подобрява се качеството на въздуха. С използването на биоетанола в транспорта, се намаляват количествата на емитираните парникови газове от 20 до 70% и се подпомага развитието на селското стопанство.

Биодизелът е също прозрачна течност. Може да се използва както в чист вид, така и като добавка към петролния дизел. С прибавянето на биодизела-6 обемни процента към стандартния дизел, се подобряват неговите смазочни качества. Намалява се износването на двигателя и се удължава неговия живот. Не съдържа серни съединения и не предизвиква корозия на двигателя от кондензация на сярна киселина и серни диоксид и триоксид. От друга страна не създава опасност от образуване на киселинни дъждове.

Биодизелът има по-висока калоричност в сравнение с обикновения дизел и замърсява по-малко горивната система на двигателя. Изгаря по-чисто заради съдържанието на кислород от 11%, като се произвежда повече мощност и се отделя по-малко топлина при работа на двигателя. Подобно на биоетанола, при изгарянето му в дизеловите двигатели се намаляват количествата на парниковите газове. Заместването на един тон конвенцинален дизел с биодизел, намалява емисиите от парникови газове до 55%. Не се освобождава повече въглероден диоксид от свързания в растението чрез фотосинтезата.

Недостатък на чистия биодизел са по-големия му вискозитет от петролния. При ниски температури се образуват утайки, което затруднява протичането му. Това води до проблеми при стартирането на двигателя. Проблемът се решава след смесването на биодизела със стандартния в определеното съотношение и прибавянето на специални добавки. Друг негов недостатък, е отделянето на по-голямо количество азотни оксиди в отработените газове и честата смяна на горивните филтри на двигателя поради образуването на утайки при окислението.

Методи за производство на течни биогорива
За производството на течни биогорива могат да се използват както отпадъчна биомаса, така и целенасочено отглеждани селскостопански култури. Основната технология за производство на биоетанол е ферментацията на растителните суровини-захарна тръстика, захарно цвекло, царевица и пшеница. Ферментацията се извършва с помощта на микроорганизми-бактерии. Последните превръщат съсдържащите се в биомасата захари в етилов алкохол. Той се дестилира и обезводнява. Получава се етанол с по-висока концентрация и чистота, подходящ за транспортно гориво.

Биодизелът се произвежда чрез протичане на процеса трансестерификация. Изходните суровини, сурово растително масло и метанол си взаимодействат в реакционна камера в присъствието на катализатор-натриев, калиев хидрооксид или сярна киселина. Маслата представляват естери на тривалентния алкохол глицерол и три молекули висши мастни киселини. Известни са като триглицериди. С протичане на реакцията, мастните киселини се отделят от глицериновата структура на молекулата на растителното масло и се прикачва метаноловата молекула към мастните киселини. Получава се смес от биодизел-метилов естер на мастна киселина, суров глицерин, остатък от метанол, катализатор и някои замърсители-свободни мастни киселини. От 1t масло и 110kg метанол се произвежда 1t биодизел и 110kg глицерин. Трансестерификацията протича при ниски температури и налягания.

Технологичните процеси, с които се преработват захар или целулозните части на растенията-захарна тръстика, захарно цвекло в етанол и тези, с които се преработват маслодайни растения-рапица, слънчоглед, соя и палмово масло в биодизел са известни като първо поколение технологии. Биогоривата получени чрез използване на технологии, които превръщат лигнинено-целулозната биомаса-земеделски и горски отпадъци, са от второ поколение.

Производство на биоетанол
Първо поколение биоетанол се произвежда от захари и нишесте. Извличат се прости захари от съответната растителна захарна биомаса. Тя се подлага на стандартна ферментация с микроорганизми, които превръщат захарите в етилов алкохол. Той се дестилира и обезводнява до чист етилов алкохол, готов за приложение в транспорта. Технологичният процес преминава през няколко етапа. В първия етап, суровините се измиват и раздробяват до размери 20-20cm. Във втория етап, раздробените частици се смилат в мелница. Получава се растителен сироп, който се филтрува. Твърдите отпадни продукти от филтруването се използват като гориво на парни котли. В третия етап, филтратът се подлага на изпарение и кристализация. Получават се кристали и меласа. Разделянето на кристалите от меласата се извършва в центрофуга. В следващия четвърти етап, протичат процесите пастьоризация и ферментация-4-12 часа, преди дестилирането на получения етилов алкохол.

Преработката на растителните суровини съдържащи скорбяла до етилов алкохол, преминава също през горепосочените технологични етапи. Скорбялата изисква един допълнителен процес-протичане на хидролиза. С нея става превръщане на полимерите в мономери. Последните се превръщат в прости захари посредством ензимен процес при висока температура, което изисква допълнително енергия и оскъпява процеса. Полученият биоетанол може да се смесва със стандартен бензин. Биоетанолът има по-високо октаново число от бензина, но отдава около 30% по-малко енергия.

Второ поколение биоетанол се произвежда посредством преобразуването на лигнинено-целулозна биомаса. Тя се смята за алтернатива на селскостопанските култури, сега служещи за производството на етанол. За разлика от първо поколение етанол, който се произвежда от захарната или скорбялната част на растението-твърде малък процент от общата му маса, лигнинено-целулозното преобразуване прави възможно пълното използване на дървесната биомаса. Тя се добива от множество различни източници-отпадъци от земеделска и горка дейност и от бързо растящи видове. Лигнинено-целулозната биомаса е комбинация от незахароподобни полизахариди-целулоза и хемицелулоза, които биват превръщани до захари чрез хидролиза или химични процеси. Целулозата съдържа дълги вериги глюкоза. За разкъсването им са нужни сложни ензимни комплекси. Захарите след това се ферментират до етанол с използване на съществуващи технологии. Всичко това оскъпява получения биоетанол.

Друга основна технология за производството на биоетанол е газификацията на лигнинено-целулозна биомаса. Получава се синтетичен газ–смес от въглероден оксид, водород и други компоненти. След това газът може да бъде превърнат в различни течни горива. Такова преобразуване на биомасата в течност използва като продукт и лигнина. Той съставлява около една трета от солидната маса на растението. По този начин се постигат по-високи добиви на течна маса, в сравнение с производството на етанол посредством хидролиза. Производството на лигнинено-целулозен етанол чрез газификация, в по-голямата си част се намира на ниво пилотни и демонстрационни инсталации, но няколко промишлени производства са в процес на изграждане. Завод за такъв тип етанол съществува в Сарпборг, Норвегия.

Производство на биодизел
Биодизелът се произвежда чрез процес на химично взаимодействие-трансестерификация, в който органични растителни масла се комбинират с алкохол-етанол или метанол, при наличието на катализатор. Получава се биодизел-етилов или метилов естер от биомаса и суров глицерин. Растителните масла могат да бъдат сурови или вече използвани. Най-често биодизелът се произвежда от растително масло. Неговата калоричност е малко по-ниска от тази на стандартния дизел. В зависимост от вида на използвания алкохол, биодизелите могат се разделят на метилов и етилов биодизел. За катализатор се използва калиев или натриев хидрооксид. Каталитичният процес протича през няколко етапа. Първоначално алкохолът се смесва с катализатора. След това тази смес се поставя в реактор и към нея се добавя маслото. Съотношението на смесване на растителното масло към алкохола-метанол е 9:1. За осъществяване на реакцията се поддържа температура около 70°С и нормално налягане. Продължителността на реакцията е между 1 и 8 часа. Добивът на биодизел-100% се увеличава, когато реакцията протича в излишък на алкохол и се ускорява при повишаване на температурата. В резултат на химичната реакция се получават биодизел и страничният продукт глицерин. Всеки един от тях съдържа съществено количество излишен метанол, използван в реакцията. Глицеринът намира широко приложение във фармацевтичната промишленост и производството на лакове и бои. За разделянето на глицерина от биодизела се използва центрофугиране. След центрофугирането, отстраняването на излишния алкохол в биодизела и глицерина се осъществява чрез изпарение или дестилация. Полученият алкохол може да се използва повторно. Крайният продукт е течен биодизел с кехлибареножълт цвят. За обезцветяването му е необходима дестилация, след която се получава безцветен биодизел. Полученият естер се отличава с добра възпламеняемост и високо октаново число. Например, метиловият естер е с показател 56-58% октана, а за обикновеното дизелово гориво е характерен показателят 50-52%. Това позволява използването му за дизелови двигатели, без да са необходими допълнителни възпламеняеми вещества. Благодарение на това си свойство метиловият естер добиван от растителни масла и мазнини е бил наречен биодизел. Европейският стандарт на който трябва да отговаря произвежданият биодизел е EN14124.

Чрез трансестерификация биодизел може да се получава от рапично, слънчогледово и царевично масло, соево, палмово, от животински и растителни мазнини, от отпадъчни кухненски мазнини. Биодизел може да се добива също от дървесни и селскостопански отпадъци чрез пиролиза. Много фирми представяващи тази технология като дизелово гориво, предлагат пъстра смес от вода, киселини, леки и тежки катрани и други пиролизни продукти. Въвежда се понятието „бърза пиролиза”. Скоростта на пиролизата се измерва в секунди. Забавянето или ускоряване на процеса, се свързва със степента на нагряване и регулиране на температурата преди пиролизата. Естествено е, че стърготините се загряват в падащ или определящ масата поток по-бързо от дебело дървесно парче. Тъй като дървесният въглен е продукт на странични реакции, той се получава в по-малки количества, а течните продукти в по-големи. Пълно втечняване на дървесината може да се постигне само при висок вакуум. Разграждащите се органични продукти са лабилни и при съприкосновението с въздуха се окисляват до самостоятелно изгаряне и овъгляване. Успешни експерименти върху втечняване на дървесината чрез хидрогениране са били проведени в Германия през 1943 година. Там са изразходвани значителни сили и ресурси, свързани с дефицит на течно гориво в условията на война. Но въпреки спешната необходимост за дизелово гориво, тези опити не са получили промишлена реализация поради прекомерно високата цена на такова гориво.

Производството на биодизел второ поколение е лигнинено-целулозният биодизел „Фишер-Тропш”. „Фишер-Тропшовият” химичен процес представлява реакция, протичаща в присъствието на катализатор. С помощта на последния, въглеродният оксид и водородът се превръщат в различни течни въглеводороди. Обикновено за катализатори се използват желязото и кобалта. Основното приложение на процеса е в производството на синтетични смазочни масла или синтетично гориво, например, от въглища. Демонстрационни заводи за производство на Фишер- Тропшов биодизел работят в Германия и Швеция.

Така например, Alpha Kat Anlagenbau-Германия представя каталитично производство на биодизел от отпадъци. За целта се използва инсталация за каталитична деполимеризация без налягане на суровини, като слама, дървесина, енергийни растения, пластмаса, стари масла, животински отпадъци, битови отпадъци. В маслена суспензия с температура около 280-340°C въглеродните молекули на изходните материали се разцепват под действие на катализатор. Получават се дизелови пари, които се сепарират в дестилационна колона. Остатъците, които не могат да се трансформират в дизел, се извеждат от процеса под формата на безвредни соли. Оползотворява се над 80% от съдържащия се в изходните материали въглероден диоксид. Полученият по този начин биодизел има по високо цетаново число-60 в сравнение със стандартния дизел-52.