Основы биотоплива

В отличие от других возобновляемых источников энергии, биомасса может быть преобразована непосредственно в жидкое топливо, называемое «биотопливом», для удовлетворения потребностей в транспортном топливе. Двумя наиболее распространенными типами биотоплива, используемыми сегодня, являются этанол и биодизельное топливо, оба из которых представляют первое поколение технологии биотоплива.

Пост-док NREL Бренна Блэк берет образцы из фотобиореактора с трубчатым мешком для инокуляции новой питательной среды в Исследовательской лаборатории водорослей Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) в Голдене, Колорадо. Фото Денниса Шредера, NREL

Управление биоэнергетических технологий (BETO) сотрудничает с промышленностью для разработки биотоплива нового поколения, изготовленного из отходов, целлюлозной биомассы и ресурсов на основе водорослей. BETO сосредоточена на производстве углеводородного биотоплива, также известного как «топливо для капель», которое может служить заменителем нефти на существующих нефтеперерабатывающих заводах, резервуарах, трубопроводах, насосах, транспортных средствах и двигателях меньшего размера.

ЭТИЛОВЫЙ СПИРТ

Этанол (CH3CH2OH) — это возобновляемое топливо, которое можно производить из различных растительных материалов, известных под общим названием «биомасса». Этанол — это спирт, используемый в качестве смешивающего агента с бензином для повышения октанового числа и сокращения угарного газа и других выбросов, вызывающих смог.

Наиболее распространенной смесью этанола является E10 (10 % этанола, 90 % бензина), и она одобрена для использования в большинстве обычных автомобилей с бензиновым двигателем до E15 (15 % этанола, 85 % бензина). Некоторые автомобили, называемые транспортными средствами с гибким топливом, предназначены для работы на E85 (смесь бензина и этанола, содержащая 51–83% этанола, в зависимости от географического положения и сезона), альтернативном топливе с гораздо более высоким содержанием этанола, чем обычный бензин. Примерно 97% бензина в США содержит некоторое количество этанола.

Большая часть этанола производится из растительных крахмалов и сахаров, особенно из кукурузного крахмала в Соединенных Штатах, но ученые продолжают разрабатывать технологии, которые позволили бы использовать целлюлозу и гемицеллюлозу, несъедобный волокнистый материал, составляющий основную часть растительного вещества.

Обычный метод преобразования биомассы в этанол называется ферментацией. Во время ферментации микроорганизмы (например, бактерии и дрожжи) метаболизируют растительные сахара и производят этанол.

Узнайте больше об этаноле.

БИОДИЗЕЛЬ

Биодизель — это жидкое топливо, производимое из возобновляемых источников, таких как новые и использованные растительные масла и животные жиры, и является более чистой заменой дизельного топлива на нефтяной основе. Биодизель нетоксичен и биоразлагаем и производится путем смешивания спирта с растительным маслом, животным жиром или переработанным кулинарным жиром.

Как и дизельное топливо, полученное из нефти, биодизель используется в качестве топлива для двигателей с воспламенением от сжатия (дизелей). Биодизель можно смешивать с нефтяным дизельным топливом в любом процентном соотношении, включая B100 (чистое биодизельное топливо) и, наиболее распространенную смесь, B20 (смесь, содержащую 20% биодизеля и 80% нефтяного дизельного топлива).

Узнайте больше о биодизеле.

ВОЗОБНОВЛЯЕМОЕ УГЛЕВОДОРОДНОЕ ТОПЛИВО

Нефтяное топливо, такое как бензин, дизельное топливо и топливо для реактивных двигателей, содержит сложную смесь углеводородов (молекул водорода и углерода), которые сжигаются для получения энергии. Углеводороды также могут быть получены из источников биомассы с помощью различных биологических и термохимических процессов. Возобновляемое углеводородное топливо на основе биомассы практически идентично топливу на основе нефти, для замены которого оно предназначено, поэтому оно совместимо с современными двигателями, насосами и другой инфраструктурой.

ПРОЦЕССЫ КОНВЕРСИИ БИОТОПЛИВА

Деконструкция

Производство современного биотоплива (например, целлюлозного этанола и возобновляемого углеводородного топлива) обычно включает многоэтапный процесс. Во-первых, должна быть разрушена жесткая жесткая структура клеточной стенки растений, которая включает в себя биологические молекулы целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, тесно связанные друг с другом. Это может быть достигнуто одним из двух способов: высокотемпературная деконструкция или низкотемпературная деконструкция.

Высокотемпературная деконструкция
Высокотемпературная деконструкция использует экстремальную температуру и давление для разрушения твердой биомассы на жидкие или газообразные промежуточные продукты. В этом пути используются три основных маршрута:

• Пиролиз
• Газификация
• Гидротермальное сжижение.

В процессе пиролиза биомасса быстро нагревается при высоких температурах (500–700°С) в бескислородной среде. Тепло разлагает биомассу на пиролизный пар, газ и уголь. После удаления полукокса пары охлаждаются и конденсируются в жидкую «биологическую сырую» нефть.

Процесс газификации немного похож; однако биомасса подвергается воздействию более высокого диапазона температур (> 700 ° C) с некоторым присутствием кислорода для производства синтез-газа (или синтез-газа) — смеси, которая состоит в основном из монооксида углерода и водорода.

При работе с влажным сырьем, таким как водоросли, предпочтительным термическим процессом является гидротермальное сжижение. В этом процессе используется вода при умеренных температурах (200°C–350°C) и повышенном давлении для преобразования биомассы в жидкую биосырую нефть.

Низкотемпературная деконструкция
Низкотемпературная деконструкция обычно использует биологические катализаторы, называемые ферментами или химическими веществами, для расщепления сырья на промежуточные продукты. Во-первых, биомасса проходит стадию предварительной обработки, которая открывает физическую структуру клеточных стенок растений и водорослей, делая более доступными полимеры сахара, такие как целлюлоза и гемицеллюлоза. Затем эти полимеры ферментативно или химически расщепляются на простые строительные блоки сахара в ходе процесса, известного как гидролиз.

Обновление

После деконструкции промежуточные продукты, такие как сырая бионефть, синтез-газ, сахар и другие химические строительные блоки, должны быть модернизированы для получения готового продукта. Этот этап может включать биологическую или химическую обработку.

Микроорганизмы, такие как бактерии, дрожжи и цианобактерии, могут сбраживать сахар или газообразные промежуточные продукты в топливные смеси и химикаты. В качестве альтернативы сахара и другие промежуточные потоки, такие как бионефть и синтез-газ, могут обрабатываться с использованием катализатора для удаления любых нежелательных или реакционноспособных соединений с целью улучшения свойств при хранении и обработке.

Конечными продуктами модернизации могут быть топливо или биопродукты, готовые к продаже на коммерческом рынке, или стабилизированные промежуточные продукты, пригодные для финишной обработки на нефтеперерабатывающем или химическом заводе.

Узнайте больше о программе BETO Conversion Technologies.