Оценка технологий получения экологически чистого биотоплива

"Научный аспект №7-2024" - Экология

УДК 662.7

Раудсеп Вера Алексеевна – магистр Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Нарова Галия – магистр Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики.

Аннотация: Рассматривается комплексная оценка различных технологий получения экологически чистого биотоплива, таких как биодизель, биогаз и биоэтанол. Биотопливо выделяется как перспективная альтернатива ископаемым видам топлива благодаря своей возобновляемости и потенциалу для снижения выбросов парниковых газов. Описываются различные источники биотоплива, включая растительные масла, органические отходы и сахаросодержащие культуры.

Ключевые слова: биотехнологии, биотопливо, возобновляемая энергетика, чистое производство, циркулярная экономика, парниковые газы.

Целью работы является анализ существующих технологий производства биотоплива, оценка их экологической чистоты и экономической эффективности, а также определение наиболее перспективных методов с точки зрения экологической безопасности и экономической целесообразности. Методы исследования включают обзор литературы, экологическую и экономическую оценку по таким критериям, как углеродный след, потребление воды и энергии, воздействие на биоразнообразие, производственные затраты и рыночная стоимость.

Выполнен сравнительный анализ различных технологий производства биотоплива. Приведена оценка масштабности создаваемого углеродного следа.

В последние десятилетия наблюдается значительное увеличение мирового спроса на энергоресурсы, что связано с ростом населения и индустриализацией. Традиционные источники энергии, такие как нефть, уголь и природный газ, являются исчерпаемыми ресурсами и оказывают негативное воздействие на окружающую среду.

Биотопливо представляет собой разновидность топлива, создаваемого из биомассы. Этот тип топлива подходит для использования в двигателях внутреннего сгорания как мобильных, так и стационарных устройств. Биотопливо может служить альтернативой традиционным видам горючего, таким как дизель, бензин и природный газ. Его можно применять в чистом виде, использовать как сырье для производства вторичных продуктов или добавлять для получения смешанных видов топлива.

Сырьем для производства биотоплива могут служить:

1. отходы животноводства и пищевой промышленности;
2. масличные растения;
3. зерновые культуры;
4. сахарная свекла или тростник;
5. древесина и ее отходы;
6. 6. энергетические растения и микроорганизмы.

В глобальной практике условно выделяют три поколения экологически чистого топлива, которые представлены в Таблице 1. Однако, в действительности же существенное разделение между ними отсутствует.

Таблица 1. Классификация возобновляемых биоресурсов

Поколение	Используемое сырье	Получаемый продукт
Первое	Сахар, растительные масла, животные жиры, кукуруза, зерновые, и т. д.	Биоэтанол, биометанол, биогаз, биодизель и т. д.
Второе	Отходы пищевой промышленности, древесина, шелуха рису и прочих, солома, и т. д.	Бионефть, биометанол, биоэтанол, биодизель
Третье	Водоросли (Chlorella vulgaris, Spirulina platensis и д.р.	Бионефть, биодизель, биоэтанол, биоводород, биометан

Биотопливо первого поколения: в производстве этого типа биотоплива основным сырьем выступают растения, богатые жирами, сахарами и крахмалом.

Биотопливо второго поколения: для получения биотоплива используются древесина, травы и другие виды сырья, которые уже не пригодны для непосредственного потребления, например, в пищу.

Биотопливо третьего поколения: третье поколение биотоплива основывается на использовании водорослей в качестве источника энергии. Биологическая продуктивность водных организмов значительно превосходит продуктивность наземных растений.

Биотопливо представляет собой перспективную альтернативу ископаемым видам топлива благодаря своей возобновляемости и потенциалу для снижения выбросов парниковых газов. Стоит упомянуть, что биотопливо может быть получено из различных источников, таких как растительные масла, органические отходы и сахаросодержащие культуры [1, с. 139].

Несмотря на значительные преимущества биотоплива, его производство сталкивается с рядом проблем. Важно оценить экологическую чистоту различных технологий производства биотоплива, чтобы минимизировать негативное воздействие на окружающую среду. Также необходимо учитывать экономическую эффективность и жизнеспособность этих технологий для их широкомасштабного внедрения [2, с. 60].

На основе собранных данных и проведенного анализа был выполнен сравнительный анализ различных технологий производства биотоплива. В рамках этого анализа были рассмотрены следующие технологии:

- Производство биодизеля из растительных масел и жиров: к биодизельным топливам относят метиловые и этиловые эфиры жирных кислот. Биодизель, соответствующий стандартам качества, представляет собой экологически безопасную альтернативу традиционному дизельному топливу. К его достоинствам можно отнести сходные физико-химические характеристики с обычным дизелем.

- Производство биоэтанола из сахаросодержащих культур: процесс производства включает ферментацию биологических материалов с последующей дистилляцией. Биоэтанол имеет потенциал для замены бензина, однако его химические свойства значительно отличаются. Поэтому для его использования требуются модификации в конструкции двигателя.

- Производство биогаза путем анаэробного разложения органических отходов: биогаз – газообразное топливо, образующееся в процессе анаэробного разложения органических веществ микроорганизмами. Сырьем для получения биогаза могут служить сельскохозяйственные, пищевые, бытовые и промышленные отходы, а также навоз, осадки сточных вод. Основными компонентами биогаза являются метан и углекислый газ, но также могут присутствовать и примеси газов, таких как водород, азот, сероводород, аммиак.

Сравнительный анализ проводился по таким критериям как: воздействие на биоразнообразие, анализ потребления ресурсов необходимых для получения биотоплива, энергоэффективность, оценка рыночной стоимости.

Среди оцениваемых видов биотоплива биогаз продемонстрировал наименьший углеродный след. Это объясняется его производственным процессом, который включает анаэробное разложение органических отходов, что позволяет одновременно утилизировать отходы и генерировать энергию. В отличие от этого, производство биодизеля и биоэтанола требует значительных сельскохозяйственных ресурсов и энергозатрат на этапе выращивания сырья и его переработки, что приводит к более высоким выбросам парниковых газов [3, с. 84].

Ключевые факторы, влияющие на выбросы:

- Выращивание сырья: выращивание сырья для биодизеля и биоэтанола связано с существенным использованием удобрений, воды и ископаемого топлива для сельскохозяйственной техники, что приводит к высоким начальным углеродным выбросам. Производство биогаза в основном опирается на органические отходы, минимизируя выбросы на этапе сырья.

- Транспортировка: транспортировка сырья и готового топлива увеличивает общий углеродный след. Для биодизеля и биоэтанола этот этап более значим из-за необходимости транспортировки сырья с полей на перерабатывающие заводы, а затем к потребителям. Производство биогаза часто происходит вблизи источников отходов, что снижает выбросы, связанные с транспортировкой.

- Производственный процесс: энергоемкая переработка, необходимая для производства биодизеля и биоэтанола, приводит к значительным выбросам парниковых газов. В то время как производство биогаза относительно простое и энергоэффективное.

- Использование топлива: хотя все виды биотоплива выделяют парниковые газы при сгорании, общий углеродный след биогаза остается самым низким из-за сокращения выбросов на ранних стадиях.

Помимо углеродного следа, другие экологические аспекты включают использование земель и биоразнообразие. Сельскохозяйственные земли, необходимые для выращивания сырья для биодизеля и биоэтанола, могут конкурировать с производством продовольствия и приводить к потере биоразнообразия. Производство биогаза из отходов помогает смягчить проблемы утилизации отходов и уменьшает нагрузку на полигоны [4, с. 115].

Экономическая жизнеспособность различных видов биотоплива варьируется. Производство биогаза может быть экономически эффективным благодаря низкой стоимости сырья (в случае использования отходов) и меньшим энергетическим затратам на переработку. В отличие от этого, производство биодизеля и биоэтанола требует значительных инвестиций в сельское хозяйство и инфраструктуру переработки.

При помощи методики оценки жизненного цикла была проведена оценка масштабности создаваемого углеродного следа от рассмотренных видов биотоплива [5, с. 3]. Результаты, представленные на Рис.1 демонстрируют, что биогаз имеет наименьший углеродный след среди рассмотренных видов биотоплива. Для биогаза этот показатель составляет приблизительно 1,5 кг CO2-экв/кг топлива, тогда как для биоэтанола и биодизеля – около 3,53 кг CO2-экв/кг и 4.6 кг CO2-экв/кг топлива соответственно.

Рисунок 1. Сравнение углеродного следа от разных видов биотоплива

В заключение, можно отметить, что среди изученных видов биотоплива биогаз выделяется как наиболее экологически чистый благодаря своему низкому углеродному следу на всех этапах жизненного цикла. Однако широкое внедрение этой технологии потребует значительных инвестиций в инфраструктуру и усовершенствований в методах переработки отходов. Биодизель и биоэтанол также могут сыграть важную роль в переходе к устойчивой энергетике при условии оптимизации их производственных процессов для снижения углеродных выбросов на этапах выращивания сырья и переработки.

Для дальнейшего развития технологий получения экологически чистого биотоплива необходимо сосредоточиться на следующих направлениях:

1. Улучшение агротехнологий: оптимизация использования удобрений, воды и энергии при выращивании сырья для биодизеля и биоэтанола.
2. Развитие инфраструктуры: создание эффективных систем сбора и транспортировки органических отходов для производства биогаза.
3. Инновационные технологии переработки: разработка новых методов переработки сырья, которые позволят снизить выбросы парниковых газов и повысить энергоэффективность.

Сосредоточив усилия на этих областях для улучшения, мы можем повысить устойчивость технологий производства биотоплива и внести вклад в более экологически чистое энергетическое будущее.

Список литературы

1. Маслеева О.В., Пачурин Г.В. Экологическая и экономическая целесообразность использования биотоплива // Фундаментальные исследования. 2012. № 6-1. С. 139-144.
2. Кузнецова Г.В. Производство биотоплива в развивающихся странах: проблемы и перспективы // Национальные интересы: приоритеты и безопасность. 2012. №45. С. 53-63.
3. Хомякова М.А., Садов А.А. Экономические перспективы использования биотоплива // НТВТСвАПК. 2023. №1. С. 80-86.
4. Савосько О.В. Сравнительная оценка использования альтернативных источников энергии // Агроинженерия. 2013. №3. С. 111-116.
5. Уланова О.В., Старостина В.Ю. Краткий обзор метода оценки жизненного цикла продукции и систем управления отходами // Современные проблемы науки и образования. 2012. №4. С. 1-8.