Биоетанолът

ВЕИ енергетикaТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 1, 2011

Възможна алтернатива на транспортните горива

В последните години, в опит да се намали използването на изкопаеми горива и да се ограничи количеството въглероден диоксид, изхвърлян в атмосферата, все по-сериозно внимание се обръща на производството и използването на биогорива. Едно от най-широко използваните в световен мащаб е биоетанолът. Заедно с биодизела, той се явява основен заместител на петрола и се възприема като една от най-обещаващите както в краткосрочен, така и в дългосрочен план алтернативи на транспортните горива. Като възобновяем енергиен източник, биоетанолът е въглеродно неутрално гориво, допринасящо за намаляване на количеството парникови газове в атмосферата. Сред основните му предимства е и фактът, че за производството му не се налага използването на специфични селскостопански култури, виреещи в отделни райони, а могат да бъдат използвани традиционно отглеждани местни култури. Това дава възможност биоетанолът да бъде произвеждан навсякъде по света.

Етанолът или етиловият алкохол

(C2H5OH) е чиста безцветна течност със специфична остра миризма. Той е биоразградим, нискотоксичен и при евентуално изтичане не причинява големи замърсявания на околната среда. При неговото изгаряне се отделят въглероден диоксид и вода, като количеството въглероден диоксид съответства на погълнатото от растенията.

В качеството си на гориво етанолът се явява високооктаново гориво, а също така и много подходящ октанов подобрител за петрола. В някои страни смесите на етанола с петрола са широко разпространени, като често срещано съотношение е 10% етанол и 90% петрол. Приема се, че допустимото процентно съдържание на етанол в сместа, без това да налага предприемането на допълнителни промени в двигателя, е 20%. До момента обаче, в европейските страни се използват смеси със съдържание на биоетанол до 5%. В България, съгласно Закона за възобновяемите и алтернативните енергийни източници и биогоривата, в сила от 22 Декември 2009 г., от 1 март 2011 г. горивата за бензинови двигатели следва да са смесени с биоетанол, като съдържанието на биоетанол е минимум 2 обемни процента.

Биоетанолът се счита за много подходящ за двигателите с вътрешно горене с искрово запалване, поради високото му октаново число. Въпреки че, етанолът е корозионно агресивен към някои пластмаси и метали, се счита, че използването на смеси с ниско съдържание на етанол, е безопасно за двигателя и не би довело до повреди.

Производство

Биоетанолът основно се произвежда чрез ферментационни процеси, добре познати и използвани при производството на бира и алкохол. Той може да бъде получен също и чрез химично взаимодействие на етилен и пара. Основни суровини за производството му се явяват съдържащите захари селскостопански култури като захарна тръстика, захарно цвекло, отпадни продукти от захарните рафинерии и култури с високо съдържание на скорбяла като царевица, жито, пшеница и др. Развитието на технологиите за преработка на лигноцелулозни култури позволява да се използват не само култури с високо съдържание на скорбяла и захари, но също така и дървесна биомаса или отпадна дървесина от горското стопанство. За момента, процесът на преработка на лигноцелулозна биомаса се явява сравнително скъп на фона на традиционно използвания процес на ферментация.

В последните години се появи и концепцията за биорафинериите, които въвеждат процеси и технологии за обработка на биомаса за производството на различни продукти, включващи горива, енергия, химикали и храни за добитък. По този начин се дава възможност да се използват предимствата на естествените различия в химичния и структурния състав на използваната биомаса.

Като основни етапи в процеса на производство на биоетанол в зависимост от състава на биомасата, се обособяват първоначалното складиране на биомасата, нейното смилане и извличане на сока, неговото разреждане, хидролиза за скорбялната и дървесната биомаса, ферментация с ензими и мая, съхраняване на СО2 и връщане на етанола, изпарение, дестилация, обработка на отпадните води, съхраняване на горивото.

Биоетанол от култури богати на растителни захари и скорбяла

В момента ферментацията е основна технология за производството на биоетанол. При този процес биомасата се разлага с помощта на бактерии и ензими. Под тяхното въздействие съдържащите се в биомасата захари се превръщат в алкохол. Полученият етанол се дестилира и обезводнява с цел получаване на по-висока концентрация на алкохол и за да достигане на необходимата чистота за получаване на биоетанол, подходящ за използване като автомобилно гориво. Процесът на преработка на културите, богати на растителни захари, преминава през следните няколко етапа. Първоначално, суровината се измива и раздробява на по-дребни частици, обикновено с размер 20-25 см. Така подготвена се подава към мелница, която често обединява два процеса - смилане и извличане на сока. На следващия етап сокът се филтрира. Получените отпадни продукти могат де се използват като гориво, например за отоплителни котли. След филтрирането сиропът се подлага на изпарение и кристализация, следствие от което се получават ясни кристали и меласа. Меласата се отделя от кристалите посредством центрофугиране. Следващите етапи са пастьоризация и ферментация преди дестилацията за получаване на по-висока концентрация на алкохол. Ферментацията обикновено продължава между 4-12 часа.

За културите, съдържащи скорбяла, процедурата е подобна, но с допълнителен процес на хидролиза за разрушаване на полимерите до мономери, които могат да бъдат разрушени до прости захари.

Биоетанол от лигноцелулозна биомаса

Лигноцелулозната или дървесната биомаса се счита за бъдещата алтернатива на селскостопанските култури, използвани в момента като основна суровина за производството на биоетанол. Сред основанията за това са по-големите количества и по-ниската цена в сравнение с богатите на растителни захари и скорбяла култури, които в същото време се явяват и суровина за основни хранителни продукти. Използването на лигноцелулозна биомаса е по-атрактивно и от гледна точка на енергийния баланс и емисии.

Лигноцелулозната биомаса се състои от три основни компонента - въглехидратни полимери, наречени целулоза и хемицелулоза, които могат да бъдат превърнати в захари, и неферментираща фракция, наречена лигнин, която може да бъде използвана за производството на електричество и/или топлина. Разликата в етапите на процеса е, че лигно-целулозната биомаса изисква по-сложна хидролиза поради съдържанието на целулоза и хемицелулоза. Целулозата се състои от дълги вериги гликоза, поради което са необходими по-сложни комплекси от ензими за разкъсването им. Това е причината лигноцелулозният биоетанол да е технически по-взискателен и поради това - по-скъп.

Сред основните предизвикателства пред производството на биоетанол от лигноцелулозна биомаса е подобряването на методите за раздробяване на биомасата, така че да бъдат подходящи за различни видове биомаса. Към разработването на ефективен процес на предварителна обработка във връзка с разрушаването на влакнестата структура на биомасата.

До момента има няколко разработени метода - механичен, топлинен, химичен и биологичен, както и комбинация от тях. Въпреки това, никой от тях все още не е доказано подходящ поради високите разходи, ниските добиви, производството на отпадни продукти или нежелани странични продукти.

Друг важен момент за изследване е свързан със сегашните високи разходи и ниска продуктивност на ензима целулаза (cellulase), който е необходим за превръщането на целулозата в гликоза при ензимната хидролиза. Алтернативата киселинна хидролиза е подходяща, но за хидролизирането на целулозни материали, процесът е капиталоемък и има негативен ефект върху добива на захар.

Друга технология за производствата на биоетанол от дървесни материали е газификацията на биомаса, последвана от ферментация до етанол, използвайки анаеробни бактерии. Това елиминира нуждата от хидролиза за разрушаване на целулозните и хемицелулозните фракции на биомасата. Освен това, в този процес фракциите от лигнини също могат да бъдат превърнати в етанол. До момента обаче, развитието на този процес все още е на лабораторен етап. Друг процес все още в етап на разработване е газификация на биомаса, комбинирана с каталитичен процес за производството на биоетанол.

Предимства на биоетанола

Като гориво биоетанолът има редица предимства пред традиционните горива. Той се произвежда от достъпни възобновяеми енергийни източници, а не от изчерпаеми ресурси. Използването му води до редуциране на емисиите от парникови газове. Известно е, че транспортната система е виновна за около 22% от всички парникови газове. С използването на биоетанола част от тези емисии могат да бъдат намалени. Също така смесването на биоетанол с петрол може да допринесе за удължаване живота на петролните залежи, а също така да подобри сигурността, намалявайки зависимостта от страните-доставчици. Производството на биоетанол би подпомогнало и развитието на селското стопанство, поради необходимостта от отглеждане на по-голямо количество от подходящите за производството на биоетанол селскостопански култури. Биоетанолът е биоразградим и в много по-малка степен токсичен от изкопаемите горива. В допълнение, използването на биоетанол в определени конструкции двигатели може да подпомогне намаляването на количеството въглероден монооксид, произвеждан от превозните средства, което би се отразило благотворно върху качеството на въздуха. Като предимство на биоетанола може де се посочи и лекотата, с която той може да бъде интегриран в съществуващите горивни системи на транспортните средства.





Top