Экологически безопасные источники энергии

     Бензиновые  двигатели, в общем случае, не годятся  для использования спиртового топлива, хотя конструктивные изменения для перевода их на спирт минимальны. Часто удается ограничиться использованием стойких к спиртам материалов и установкой элементов для отделения водяного конденсата. В настоящее время многие ведущие автопроизводители выпускают универсальные двигатели, способные работать на бензине, спирте или их смесях. При использовании смесей бензина с небольшим количеством спирта (до 10%) топливо, как правило, подходит и для обычных бензиновых двигателей [8].

     Именно  смесевыми топливами сейчас наиболее увлечены в мире. Смеси бензина с этанолом обычно обозначают буквой E (от слова этанол) и числом, показывающим содержание спирта в процентах. Наиболее распространено топливо E10 или газохол, содержащее 10% этанола. Оно широко используется в Дании, Таиланде и других странах. В США топливо E10 набирает популярность из-за вступивших в силу ограничений на применение в бензине эфиров.

     Вместе  с тем, наибольший интерес сейчас проявляют к смесям с высоким  содержанием этанола. Чаще всего говорят о топливе E85, которое представляет собой смесь спирта (85%) и бензина (15%). При этом на деле содержание этанола меньше 85%, так как для приготовления смесей используется 93 – 96% спирт, к тому же денатурированный. Топливо E85 достаточно активно используется в Швеции, быстрыми темпами растет его популярность и в США.

     Нужно отметить, что синтетический этанол, получаемый из нефти, в качестве топлива  обладает точно такими же свойствами, как и полученный из растительного  сырья, но не обеспечивает нейтральности  в плане выбросов углекислоты. 

     1.3 Биогаз

     Наиболее  перспективным газообразным топливом является биогаз, интерес к использованию которого в последние годы не только не убывает, но и продолжает возрастать. Под биогазами подразумеваются метансодержащие газы.

     Состав  и количество биогаза не являются постоянными и зависят от вида перерабатываемого субстрата и от технологии производства биогаза. Усредненный состав биогазов представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Классификация и состав биогазов

 

       В зависимости от источника  получения биогазы подразделяются  на три основных вида:

     - газ метантенков, получаемый на  городских очистных канализационных  сооружениях (БГ КОС);

     - биогаз, получаемый в биогазовых  установках (БГУ) при сбраживании  отходов сельскохозяйственных производств (БГ СХП);

     - газ свалок, получаемый на полигонах  отходов, содержащих органические  компоненты (БГ ТБО).

     Метатенковые  и сельскохозяйственные биогазовые установки не имеют принципиальных отличий, за исключением используемого субстрата. Технологическая схема биогазовой сельскохозяйственной установки представлена на рис. 1.

     Согласно  этой схеме навоз из животноводческого помещения (1) поступает в на копительную емкость (2), далее фекальным насосом (3) его загружают в метантенк — емкость для анаэробного сбраживания (4). Биогаз, образующийся в процессе брожения, поступает в газгольдер (5) и далее к потребителю Для нагрева навоза до температуры брожения и поддержания теплового режима в метантенке применяют теплообменник (6), через который протекает горячая вода, нагреваемая в котле (7) Сброженный навоз выгружают в навозохранилище (8).

     

 

     Рис.1. Обобщенная схема производства биогаза 

     Во  время сбраживания в навозе развивается микрофлора, которая последовательно разрушает органические вещества до кислот, а последние под действием синтрофных и метанообразующих бактерий превращаются в газообразные продукты — метан и углекислоту [4].

     Достаточно  высокое содержание метана в биогазе, а следовательно, и высокая теплота сгорания, предоставляют широкие возможности применения биогаза. При разработке систем по производству и использованию биогаза выбираются оптимальные варианты комплектации установок из множества возможных с учетом многочисленных местных и внешних условий. С точки зрения утилизации энергии биогаза можно выделить следующие основные направления его использования:

     - для покрытия собственных энергетических нужд БГУ (в наиболее холодный период года практически весь потенциал биогаза используется для энергообеспечения установки);

     - в качестве топлива для получения горячей воды или пара на покрытие технологических нужд очистных сооружений или сельскохозяйственных производств;

     - для сушки сброженного осадка;

     - в качестве топлива для получения теплого воздуха или горячих газов на сушку сельхозпродукции или обогрев сельскохозяйственных зданий;

     - в теплицах для отопления и подкормки растений углекислым газом;

     - для замены мазута при термической переработки отходов (25 т мазута в сутки заменяется 45000 м³биогаза);

     - в качестве горючего для двигателей транспортных средств;

     - для получения электроэнергии;

     - для подпитки сетей природного газа [5].

     На  метане могут работать как карбюраторные, так и дизельные двигатели, но поскольку метан является высокооктановым топливом, более эффективно его использование в дизельных двигателях. Абсолютный объем биогазов, необходимый для выработки энергии, эквивалентной полученной при сжигании 1 л бензина, составляет 1,33-1,87 м³ при сжигании 1 л дизельного топлива - 1,50-2,07 м³.

     После получения биогаза на сельскохозяйственных установках обработанный навоз используют в качестве удобрений. Метановое сбраживание навоза обеспечивает его дезодорацию, дегельминтизацию, уничтожение способности семян сорных растений к всхожести, перевод удобрительных веществ в легкоусвояемую растениями минеральную форму. При этом питательные (для растений) вещества — азот, фосфор и калий — практически не теряются.

     На  основании результатов, полученных на экспериментальных установках, руководство Центра энергосбережения (ЦЭТ) приняло решение о строительстве полномасштабной биогазовой установки для обработки помета на ПТФ «Юдинская». Стоимость строительства составит 6,2 млн руб , окупаемость — 2,7 года.

     Биогаз  все чаще используют в качестве замены традиционных источников энергии. В  Китае с середины 70-х годов XX века действует национальная программа по получению биогаза из отходов животноводства. К 2004 году в этой стране работало 10 млн. фермерских биореакторов, кроме того, 64 тысячи биогазовых станций, обеспечивающих работу 190 электростанций и более 60% автобусного парка. Китай — безусловный мировой лидер биогазовой промышленности.

     В США биогаз занимает второе место по важности среди биотоплив (после этанола). Недавно там приняли закон об оборудовании всех полигонов твердых бытовых отходов системами по их конверсии в смесь метана и СО₂. В ЕС работают более 800 биогазовых установок, к 2010 году там планируется произвести из биогаза 15 млн. тонн нефтяного эквивалента топлива. В Швеции почти 800 автобусов ездят на биогазе и первый в мире поезд. Его пробег до заправки — 600 км, максимальная скорость — 130 км/ч [8]. 

     1.4 Биодизель

     В связи с необходимостью резкого  уменьшения вредного воздействия автотранспорта на окружающую среду, наметился ряд направлений по замене экологически опасных бензина и дизельного топлива на экологически чистое топливо, и в первую очередь – на биодизель.

     Биодизель – это метиловый эфир жирных кислот, обладающий свойствами горючего материала, получаемый переэтерефикацией растительных или животных жиров. Его главное достоинство – это сокращение концентрации СО₂ в атмосфере: при сгорании биодизеля выделяется ровно такое же количество углекислого газа, которое было потреблено из атмосферы растением, являющимся исходным сырьем для производства масла, за весь период его жизни. При использовании дизельного топлива на минеральной основе в атмосферу ежегодно выбрасывается огромное количество углекислого газа, получаемого из углеводородов, миллионы лет находившихся в земле в виде нефти. А повышение концентрации углекислого газа в атмосфере  приводит к тому самому парниковому эффекту, бороться с которым призван бороться Киотский протокол. Использование же биодизеля не нарушает баланса углекислого газа в атмосфере земли [3].

     В результате химической реакции переэтерификации образуется, в первую очередь, метиловые  эфиры жирных кислот, а также побочный продукт - глицерин, широко используемый в фармацевтической и лакокрасочной  промышленности. Промежуточными продуктами при этом являются моно- и диглицериды, наличие которых в биодизеле  нежелательно.

     Биодизельное  топливо сгорает практически  без образования токсичных окислов серы. Полученный эфир отличается хорошей воспламеняемостью, обеспечиваемой высоким цетановым числом. Если для нефтяного дизельного топлива характерен показатель в 50-52 ед., то для метилового эфира – 50-58 ед. Это позволяет использовать его в дизельных двигателях без прочих веществ, стимулирующих воспламенение.

     Помимо  относительно высокого цетанового числа, биодизель  имеет и ряд других полезных свойств:

     - растительное происхождение. Биодизель не содержит бензола и ароматических углеводородов, поскольку изготавливается из масел, сырьем для которых служат растения.

     - биологическая безвредность. По сравнению с нефтяным дизельным топливом, 1 л которого способен загрязнить 1 млн л питьевой воды и привести к гибели водной флоры и фауны, биодизель при попадании в воду не причиняет вреда ни растениям, ни животным. Кроме того, он подвергается практически полному биологическому распаду: в почве или в воде микроорганизмы за 28 дней перерабатывают 99% биодизеля, что позволяет говорить о минимизации загрязнения рек и озер при переводе водного транспорта на альтернативное топливо.

     - хорошие смазывающие свойства. Известно, что минеральное дизтопливо при устранении из него сернистых соединений теряет свои смазывающие свойства. Биодизель же, несмотря на почти полное отсутствие серы, характеризуется хорошими смазывающими свойствами.

     - высокая температура воспламенения. Для биодизеля ее значение превышает 100 ⁰С, что позволяет назвать его относительно безопасным веществом [2].

     Анализ  экологических показателей двигателей свидетельствует о снижении токсичных  выбросов при работе на биотопливе. Содержание окиси углерода СО (угарный  газ) при любой нагрузке и выбросы  углеводородов СН сокращаются в два раза, количество твердых частиц (дымность) в режиме максимальной нагрузки снижается в два раза, а в режиме алой нагрузки дымность практически отсутствует. Исследования по замене дизельного топлива биодизельной смесью (при соотношении в ней компонентов 1:1) показали существенное улучшение экологических характеристик двигателя. Выбросы оксидов азота при номинальном режиме работы двигателя сократились на 15-20%, сажи – на 30-35%, оксидов углерода и углеводородов – на 10-15%.

     Сырьевая  база для производства эфиров жирных кислот отличается большим разнообразием. Более 150 видов растений по всему миру, способных вырабатывать масла, - это шанс, позволяющий регионам самостоятельно на местном уровне решать свои региональные проблемы. К числу масляных растений относятся: земляные орехи, соя, рапс, лен, горчица, подсолнечник, рицина, хлопок, фундук, оливы, бук, пальмы.

     По  элементному составу растительные масла близки друг к другу, а от нефтяного топлива отличаются присутствие кислорода (9,6 – 11,5%). Их главные недостатки как топлива (по сравнению с нефтепродуктами) – меньшая теплота сгорания (на 7 – 10%), более высокая вязкость (в 6 раз и более), повышенная склонность к нагарообразованию, низкая испаряемость и др. Поэтому большинство современных дизельных двигателей могут работать на чистых растительных маслах весьма непродолжительное время.

     Показателен пример рапса – технической масличной  культуры, урожайность которой составит 24-25 центнеров с гектара. Из тонны рапса ожно получить порядка 270 кг биодизельного топлива. Метиловый эфир рапсового масла по своей физико-химической характеристике близок дизельному топливу: при его использовании не требуется подогрев топлива, в меньшей степени образуются отложения на деталях цилиндро-поршневой группы.