Альтернативні джерела енергії

2.6. Тверде  біопаливо

     Основними технологіями термічної переробки  деревини та біомаси є пряме спалювання (найбільше вивчено і комерційно розвинене), газифікація (знаходиться на демонстраційному рівні розвитку) і піроліз ( знаходиться на дослідному рівні розвитку). На сьогодні світовим лідером з використання соломи в енергетичних цілях є Данія, де знаходиться в експлуатації біля 8000 фермерських установок, потужністю 0,1 — 1,0 МВТ, які споживають за рік 390 тис. т соломи і виробляють 5,6 ПДЖ енергії. Крім цього, в Данії експлуатується 62 теплових і 9 теплоелектричних станцій, які споживають 540 тис. т соломи щорічно. З метою отримання теплової енергії солому в Європі використовують Австрія, Швеція, Фінляндія, Франція, Чехія та інші країни.

     В Україні надлишок соломи та стебел усіх культур складає 21,1 млн. т. Однак, використання біомаси в енергетичних цілях проходить тільки своє становлення. За останній час виконано декілька демонстраційних проектів у області біоенергетики. Установки, впроваджені в рамках цих проектів, є першим сучасним великомасштабним біоенергетичним обладнанням у нашій країні. Зокрема це результат технічної допомоги з боку Голландії. Встановлено два парових котли: потужністю 5 мВт на підприємстві по виробництву клеєної фанери "ОДЕК Україна" в м. Оржів Рівненської області; потужністю 1,5 МВТ — у Малинському держлісгоспі-технікумі Житомирської області. Успішно виконаний датсько-український проект технічної допомоги, в рамках якого в с. Дрозди Київської області встановлений і введений в експлуатацію котел потужністю 980 кВт для спалювання соломи.

     Особливу  увагу слід звернути на вибір технології й обладнання для переробки біомаси, які визначають величину капітальних витрат. Мінімізація цих витрат можлива при модернізації існуючих на підприємствах енергоагрегатів заміною конструкції топки і відповідних газоочисних споруд. Подібний підхід реалізований у вітчизняній практиці на котлах ДКВР. 

2.7. Рідке  біопаливо

     За  прогнозами спеціалістів, найближчим майбутнім передбачається покриття до 10% світових потреб у дизельному пальному за рахунок рослинного рідкого  палива. Метилові ефіри використовуються як чисте паливо в Німеччині, Австрії, і як 30, 20 і 5%- ні суміші з дизельним паливом у Франції, Швеції, США, Чехії та інших країнах. При цьому, наприклад, у США до 2012 року планується випускати щорічно близько 20 млн. т. рідкого палива. Виробництво рідкого біопалива проводять в єдиному технологічному процесі з насіння енергомістких культур, або в два етапи переробки: насіння — в олію і олію — в біопаливо. Технологія випуску дизельного палива з ріпакової олії побудована на фізичній і хімічній переробці відфільтрованої олії до форми метилового ефіру. Під впливом каталізатора олія переетерифікується метанолом у метиловий ефір зі звільненням гліцерину. Вихідні компоненти практично не змішуються, тому після закінчення реакції відбувається гравітаційний розподіл суміші на два шари. Технологія переробки насіння олійних культур безпосередньо в біопаливо реалізована (як приклад) у розробці фірмою FARMET (Чехія) цеху по виробництву біологічного дизельного палива з річною продуктивністю 1000 -1500 т палива за 250 днів, який розбитий на дві окремих виробничих ділянки: пресування олійних культур та фільтрації олії і переетерифікації ріпакової олії метанолом. Установлена споживана потужність на ділянці переетерифікації 95 кВт, загальна річна витрата електроенергії — 150 (225) мВт-годин.

     Екологічний ефект. Перевагами біологічного дизельного палива порівняно з дизельним пальним із нафти, насамперед, є:

• швидке біологічне розщеплення — через 21 день на 98% (дизельне — на 72,0%);
• сприятливе відношення до утворення "тепличного ефекту", що випливає з відновлюючого характеру сировини — ріпаку;
• сприятливий склад відпрацьованих газів (загалом, половинний вміст диму, нижчий на 20% вміст твердих частинок, на 7,2% СО, на 1,9% СН).

  Енергетичні властивості рідкого біопалива  відрізняються від традиційного так:

• температура згоряння приблизно на 12% нижча;
• вміст кисню дозволяє знизити подачу повітря на 13% чи, при однаковій подачі повітря, будь-який коефіцієнт надлишку повітря в 1,16 раза вищий;
• падіння енергетичних параметрів при робочому навантаженні двигуна коливається в межах 4-5 %;
• витрати вищі на 5-8 %;
• більшість тракторів можуть працювати на біологічному дизельному паливі без переробки.

  Експлуатаційні  властивості рідкого біопалива  також мають свої особливості. Воно абсолютно змішується з дизельним  паливом. Ускладнений запуск двигуна виникає при температурі нижче + 5°С. Економічна ефективність біопалива в умовах нашої країни потребує комплексного врахування всіх прямих і побічних продуктів при його виробництві. Щорічне виробництво ріпаку в Україні складає близько 300 тис. т. Цю кількість насіння можна розглядати як потенційний сировинний обсяг для початку виробництва близько 100 тис. т біопалива.

2.8. Ріпак,  як сировина для виробництва  біологічного пального

     Європейські країни (ЄС) закуповують 47% витратної  енергії, 75% з яких у вигляді нафти. Прогнози на майбутнє говорять про щорічне збільшення імпорту на 1,9%.

     Сучасне пальне складає неабияку небезпеку  для оточуючого середовища. Варто  лише згадати про парниковий ефект, що виник у результаті збільшення СО₂ в атмосфері. Його концентрація збільшується щорічно на 1,5•10^-3 %/год. і в 2050 році вдвічі перевищить концентрацію СО₂ в доіндустріальний період. Крім того, сірка, яка міститься в дизельному паливі, призводить до утворення великої кількості оксидів, котрі зумовлюють зникнення лісів. Розвинені країни гостро поставили проблему сірки, вбачаючи вирішення її необхідним для зменшення навантаження і збереження родючості удобрюваних сільськогосподарських угідь.

     За  вимогою ЄС у 1980 році була створена організація "Євробіодизель" (GEIE), яка зайняла одне із провідних місць в "енергетичній мережі" і вирішує питання виробництва палива з рослинних олій. Розвиток напряму з вирощування олійних як джерела палива отримало високу оцінку на ринку енергетичних ресурсів. Розвиток "енергетичної системи" за допомогою олійних дає унікальну можливість для історичної трансформації європейського сільського господарства з виробника продуктів харчування у виробника палива. Останнє характеризується високою конкурентоспроможністю на європейському ринку і, що дуже важливо, безпечністю для оточуючого середовища.

     Ріпак вважається однією із найважливіших (після пальми та сої) олійною культурою в світі, яка являється джерелом одержання рослинного масла. За останні 20 років за значенням і поширенням він випередив арахіс, зерна бавовни і навіть, не так дивно, соняшник. Цьому посприяло виведення сортів, які містять мало ерукової кислоти та глюкозинолатів. У Канаді сорти ріпаку, що задовольняють вимогам за вмістом цих речовин, називаються канола. Канадська Асоціаця Канола має торгову марку, яка включає сорти ріпаку, які містять не більше 2% ерукової кислоти (С 22:1) у олії. Згідно з європейськими стандартами, вміст усіх глюкозинолатів не повинен перевищувати 20 мкмоль/г. Варто відмітити досить вигідне співвідношення між споживаною і вироблюваною енергією рослинами ріпаку.

     За  даними ФАО (1995), посівні площі під  ріпаком у світі щороку сягають 22-24 млн. га. Понад дві третини  його виробництва (70%) сконцентровано в  Китаї, Індії й Канаді — по 5,6-6,1 млн. га. Великі площі під ріпак відведено також у США, Австралії, Новій Зеландії, країнах Західної Європи, Польщі. Загалом 28 країн світу вважають ріпак основною олійною культурою. Як європейська олійна культура набув істотного поширення в середині ХІХ століття. Нині його посіви на європейському континенті сягають 3,3-3,5 млн. га. До Західної України він був завезений з Німеччини, причому на початку минулого століття його посіви за площею значно перевищували посіви соняшнику.

     Значне  збільшення виробництва насіння  ріпаку зумовлене широким спектром використання олії для продовольчих потреб, а макухи (шроту), як концентрованого кормового білка, для годівлі сільськогосподарських тварин. Інтерес до цієї культури викликаний також великою необхідністю в одержанні олії з високим вмістом ерукової кислоти для промислових (технічних, хімічних) потреб.

     У Лісостепу України ріпак є  поряд із соняшником і соєю основною олійною і білковою культурою. Як промислову культуру його почали інтенсивно впроваджувати лише останніми десятиріччями. Площа під ним зросла до 100 тис. га, а урожайність становила в середньому 15 ц/га. Окремі господарства отримують 30-35 ц/га насіння. У структурі посівних площ він займає 0,3-0,5%.

     Незначні  обсяги виробництва товарного насіння  ріпаку зумовлені відсутністю державної системи заготівлі, матеріально-технічної бази, добрив, високоефективних пестицидів, техніки для вирощування, збирання і очистки урожаю, відсутністю переробної промисловості. Розрахунки свідчать, що площі посіву ріпаку в найближчі роки можна збільшити у 6—8 разів і довести до 500 тис. га і більше, а врожайність товарного насіння збільшити до 24—26 ц/га. Це дозволить виробляти 380—400 тис. т олії, 500—600 тис. т концентрованого кормового білка, який за протеїном у 8—10 разів перевищує комбікорми.

     Заміна мінеральних масел на рослинні викликана екологічними проблемами. Ріпакова олія біологічно швидко розкладається і не несе в собі загрози для водоймищ: у ґрунті вона через 7 діб розкладається на 95% (мінеральне масло тільки на 16%).

     Пальне  одержують після видалення з олії гліцерину, який закоксовує форсунки паливної системи двигуна. Його ще називають ріпак-метилефіром (РМЕ). У країнах, які не мають власних запасів нафтопродуктів, взялись за спроби замінити дизельне пальне на РМЕ. До вирішення цих проектів включилися всесвітньо відомі фірми і компанії. У 1992 році французька компанія "Рено" випробувала новий автомобільний двигун, що працює на РМЕ. Оснащений ним автомобіль "Рено-21" пройшов 19 тис. км, показавши високу швидкість й економічність (витрата пального — 4 л на 100 км). Американська фірма "Нертон" також випробовує нові двигуни на пальному з ріпаку. В Бельгії й Нідерландах уже 80-85% громадського транспорту працює на біологічному пальному. Перша в Австрії фабрика комерційного виробництва біодизельного пального потужністю 500 т на рік була відкрита 1985 року. Через п’ять років його випуск зріс уже до 20 000 т. За даними Британської асоціації біопалив та олій (ВАВFО), 1995 року виробництво біодизельного пального в Європі сягало 327 000 т, а в найближчому майбутньому має зрости до 625 тис. т.

     Ріпакова  олія як біопаливо може використовуватися у вигляді чистої олії холодного пресування та етерифікованої. У першому випадку пальне підходить до двигунів з вихровою камерою, дообладнаних додатковою апаратурою для вприскування олії. На етерифікованій олії можуть працювати звичайні двигуни без переобладнання. Втрата потужності двигуна після переведення його на біопаливо становить лише 5-10%. Виробництво (переетерифікація) біодизеля включає в себе такі основні процеси.

     Одержану  після пресування олію очищають від  побічних продуктів, фосфатидів, надмірної  вологи, проводячи часткове рафінування (гідратацію, лужне рафінування і  відбілювання). На етапі етерифікації, який проходить при безперервному переміщуванні з обігріванням, за допомогою надмірного введення метанолу одержують потрібний продукт — РМЕ і як побічний — гліцерин, який, до речі, має досить пристойну ціну, чим дозволяє знизити загальні затрати на виробництво основного продукту.

     Одержане  в кінцевому підсумку пальне не тільки екологічно чисте, але конкурентноспроможне і надійне в роботі.

     Використання  ріпакової олії у виробництві  пального для дизелів можливе трьома основними методами, які мають свої позитивні й негативні сторони. Перший метод — переетерифікація олії, тобто одержання метилефіру, високоякісного дизельного пального. Це технологія, що потребує відповідного хімічного обладнання. На будівництво підприємств і розробку обладнання (або його купівлю за кордоном) потрібен час і значні кошти.

Прикладом виробництва може служити виробництво екодизельного палива за направленою реакцією перетворення рослинної олії з метиловим спиртом у метилестер. Метилестер після рафінування може бути використаний для дизельних моторів і теплових фабрик. Ця технологія розроблена інженерною групою "Балестра" (Італія). Промислове застосування процесу можливе з максимальною ефективністю незалежно від об’ємів і розмірів фабрики. Порівняльний аналіз якості вихлопних газів традиційного і дизельного палива показав істотну перевагу останнього з екологічної точки зору. Зокрема кількість димних часток знизилась більш як на 50%.

     Другий  метод — використання ріпакової олії як пального для дизелів без переробки (не враховуючи необхідне очищення — наприклад, фільтрування). У цьому випадку необхідно розробити нові дизелі, освоїти їх виробництво або реконструювати дизелі, що були в експлуатації. Тобто, знову потрібен час і великі кошти.

     Третій  метод — використання сумішей нафтового дизельного пального з ріпаковою олією у відповідних допустимих співвідношеннях або сумішей ріпакової олії з іншим вуглеводневим пальним.

     Розроблена  і освоєна у Національному  технічному університеті України, Українському транспортному університеті та Київському ВО "Більшовик" екструзійна установка  призначена для одержання олії з насіння ріпака, продуктивністю 10—12 кг за годину. Розроблено і освоєно спеціальний гідрозмішувач інтенсивної дії, на якому проведені відповідні експерименти, пов'язані з одержанням сумішей дизельного пального з ріпаковою олією. Продуктивність установки 5—10 т суміші за годину.

     Використання  ріпакової олії в звичайних дизельних  двигунах, як правило, неможливе, оскільки воно по своїх властивостях сильно відрізняється від дизельного палива. Технічно це завдання можна вирішити двома шляхами: пристосувати паливо до двигуна або створити двигун, що працює на рослинному біопаливі. Дані таблиці 19.9 свідчать, що обидва варіанти мають свої як переваги, так і недоліки. У країнах Західної Європи віддають перевагу метилуванню ріпакової олії. Так у Німеччині вже більше як на 1000 станціях заправляють автомобілі біодизельним паливом. При врожаї насіння ріпаку 30 ц/га можна виробляти біля 1300 л палива. Основна перепона широкого використання ріпакової олії (метилового ефіру з неї) як біодизельного палива — неконкурентоспроможність через відносно дешеве дизельне паливо. Труднощі виникають і з транспортуванням, створенням мережі заправних станцій.