Биотопливо

Перспективные направления в производстве и использовании котельных биотоплив

Котельные биотоплива, безусловно, уступают моторным по критерию качества, что нашло выражение в менее жестких требованиях стандартов и менее обширной номенклатуре нормируемых параметров. Более того, разработанные в последние годы виды котельного/печного биотоплива пока еще не сертифицированы, что не мешает владельцам тепловых установок, пока еще в весьма незначительном масштабе, применять их в частном порядке без особого риска вывести из строя тепловой агрегат.

Действительно, безопасность, экологическая и экономическая эффективность применения котельных КМОБТ, полученных по описанным выше технологиям, косвенно подтверждаются надежной эксплуатацией судовых двигателей в течение нескольких десятилетий на водомазутных топливах с типовым содержанием водной фракции до 20 %.

Вообще говоря, диапазон областей применения котельных биотоплив гораздо шире области применения используемых в настоящее время (преимущественно, благодаря государственной поддержке развитых стран) биотоплив моторного качества. Причем, учитывая современную тенденцию в автомобильной отрасли, можно даже прогнозировать сокращение объемов потребления автомобильного топлива в связи с развитием производства транспортных средств с гибридным и полностью электрическим приводом. Рассмотрим некоторые перспективные направления в области производства и использования котельных биотоплив.

Комплексное применение биотоплив третьего поколения

Сегодня биотоплива третьего поколения, т. е. произведенные из биомассы микроводорослей, пока еще почти не производятся и не применяются. Это объясняется тем, что большие средства, потраченные из государственных и частных фондов некоторых стран на исследования в этой области, не привели к созданию образцов коммерческого уровня. Дело в том, что в подавляющем большинстве целью таких исследований ставилась разработка технологий производства МЭЖК – компонента биодизельного топлива, получаемого переэтерификацией липидной фракции. Однако встречающиеся в естественной среде виды МВ характеризуются относительно низким содержанием липидов, и выход готового продукта на единицу массы сырья получается незначительным. Поэтому исследования сосредотачивались на селекции редких штаммов микроводорослей с высоким содержанием жирных кислот для культивирования в искусственных условиях, т. е. в ФБР. При этом эксплуатационные затраты (главным образом, на освещение) оказываются несопоставимыми с теми доходами, которые можно было бы получить от его реализации.

В то же время, есть области, где культивирование микроводорослей может быть оправдано если не с экономической то, по крайней мере, с экологической точки зрения, а произведенное из них дешевое котельное биотопливо можно рассматривать как полезный побочный продукт. К таким областям, в первую очередь, относятся мероприятия по противодействию глобальному изменению климата, осуществляемые в связи с принятием в 1992 г. международной Рамочной конвенции и подписанием Киотского протокола (1997), ставшего первой попыткой поставить выбросы парниковых газов под международный контроль. В рамках этих договоренностей были разработаны методики их расчета выбросов CO2 и других парниковых газов и установлены квоты на их эмиссию.

Несмотря на ограниченность такого подхода (в частности, не принимающего в рассмотрение необратимые изменения, обусловленные изъятием из атмосферы кислорода – жизненно важного компонента окружающей среды) он позволяет экономическими методами способствовать устойчивому развитию энергетики.

Так, по логике Киотского процесса, квоты на выбросы углекислого газа должны быть увеличены для субъектов (как государств, так и конкретных предприятий), если их деятельность способствует восстановлению баланса кислорода (следовательно, и углекислоты) в атмосфере Земли. Речь идет о создании «кислородных фабрик» – производств, целью которых является культивирование растений для улавливания из атмосферы углекислого газа и насыщения ее кислородом.

Уже сейчас существуют все предпосылки для практической реализации концепции кислородных фабрик. Максимально эффективно они могут функционировать, если в качестве фотосинтезирующей культуры выбрать микроводоросли. Они характеризуются аномально высокой, по сравнению с высшими растениями, продуктивностью, высоким КПД преобразования солнечной энергии в биомассу и не требуют отведения для них посевных площадей. Водоемы для производства биомассы МВ можно устраивать на неплодородных землях, включая засоленные почвы, заброшенные участки и другие площади. Целевыми культурами МВ в целях производства кислорода и получения биотопливного сырья, как «побочного» продукта, могут быть засеяны как искусственные, так и естественные водоемы.

В качестве примера практической реализации такой фабрики комплексного использования можно рассматривать описанный выше полный цикл теплоэлектрогенерации, включающий стадии производства биомассы МВ и ее переработки в котельное биотопливо. Данное решение в экологическом, техническом и экономическом аспектах естественным образом соответствует применению на мазутной теплоэлектростанции, эффективность которой может быть существенно повышена при работе КМОБТ, приготовленном из мазута и биомассы микроводорослей.

В качестве целевой культуры целесообразно использовать микроводоросль рода Chlorella, представляющую собой аборигенный вид отличающийся высокой продуктивностью в условиях умеренного климата. Пруды по выращиванию МВ можно подогревать в холодное время года за счет сбросного тепла ТЭС с целью продления активного периода.

Одна тонна растительной биомассы, выращенной в таком технологическом цикле, выводит из атмосферы 750 м3 СО2, генерируя при этом точно такой же объем О2. Кроме того, использование биомассы МВ в качестве органического компонента КМОБТ позволяет сэкономить порядка 20 % углеводородного топлива без какой-либо доработки горелочных устройств благодаря более полному сгоранию водосодержащего биотоплива. При этом значительно уменьшается концентрация вредных компонентов в дымовых газах, прежде всего, сажи (в 2-3 раза), NOx и SOx.

Можно рассчитать площадь водоемов по культивированию микроводорослей для типовой ТЭС электрической мощностью 4 МВт. Потребление мазута при номинальной нагрузке ТЭС составляет 900 кг/ч, а эмиссия в атмосферу углекислого газа за этот же промежуток времени – 2,8 т, что эквивалентно объему СО2 (в литрах при нормальных условиях):

формула

где MCO2  – молярная масса CO2, m – масса выбросов CO2 в атмосферу за один час работы ТЭС, VM = 22,4 л/моль – молярный объем газа в нормальных условиях.

Из упрощенного уравнения материального баланса при фотосинтезе:

6СO2 + 6Н2O = С6Н12O6 + 6O2

Можно вычислить, сколько потребуется углекислого газа для синтеза 1 кг биомассы. Результат равен 1,47 кг (т. е. 0,75 л) CO2. Соответственно, производительность фабрики кислорода PA должна составлять:

формула

Для типового значения среднесуточной продуктивности МВ YA при культивировании в открытых прудах 0,2 г/л (или 8,3 г/м3 ч-1) активный объем пруда VA составит:

формула

При глубине активного слоя 1 м требуемая общая площадь водоемов составит 2300 га. Это достаточно масштабное сооружение, строительство которого сопряжено со значительными капитальными затратами, лишь небольшая часть которых может окупиться за счет экономии мазута при его замене КМОБТ. Однако, о полной окупаемости капиталовложений не может идти речи вне реализации соответствующих законодательных инициатив, в основу которых положен принцип официального признания кислорода как энергоносителя, имеющего определенную установленную стоимость.