Как сделать более экологичное биотопливо

Климат находится под давлением. И, несмотря на ряд климатических соглашений, мы до сих пор не изменили кривую выбросов от ископаемого топлива, которые продолжают расти. Одним из больших грешников является топливо, которое мы используем для транспорта.

В Европе на сжигание ископаемого топлива для транспорта приходится 20% общих выбросов парниковых газов. В США этот показатель составляет 26 процентов.

Поскольку мы не собираемся прекращать перевозку себя и своих товаров в ближайшее время, нам явно необходимо найти устойчивое и нейтральное к выбросам углекислого газа решение для удовлетворения этих потребностей в энергии.

Одним из решений будет продолжение электрификации железных дорог и индивидуального транспорта, в то время как автомобильные, морские и воздушные перевозки, вероятно, продолжат сжигать жидкое топливо.

Возобновляемые источники биомассы, такие как сахарный тростник, древесина или солома, могут удовлетворить значительную часть этих потребностей в энергии. Проблема, однако, в том, что они не являются особенно эффективными источниками энергии. Но здесь, в Техническом университете Дании (DTU), у нас может быть решение.

Хорошее и плохое биотопливо

Биомасса, такая как кукуруза, сахарный тростник или растительное масло, которые также являются источниками пищи, известна как биотопливо первого поколения. Помимо этических проблем превращения пищи в топливо, они также имеют ограниченный потенциал с точки зрения ограниченной урожайности на сельскохозяйственную площадь.

Биотопливо второго поколения более экологично. Они используют несъедобную биомассу, такую ​​как древесина, солома и другие сельскохозяйственные отходы. Эта биомасса состоит из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина, которые вместе обеспечивают структуру и прочность растений.

Ферментативные процессы и процессы ферментации могут превращать целлюлозу и гемицеллюлозу в спирты, такие как этанол и бутанол. Их можно смешивать с ископаемым топливом, например бензином, или дополнительно перерабатывать в углеводороды, которые можно использовать для реактивного топлива.

Биологические процессы, которые превращают биомассу в спирт, дают относительно небольшое количество энергии, около 35 процентов потенциальной энергии, хранящейся в биомассе. Так что мы, конечно, не используем эту биомассу в полной мере.

Этот низкий выход энергии связан с тем, что ферменты не могут превращать лигнин (который обычно составляет от 25 до 35 процентов потенциальной энергии) в спирт. Требуется много энергии, чтобы разрушить защищенную структуру лигнина, чтобы фермент мог преобразовать целлюлозу.

Первичный продукт брожения представляет собой жидкий водно-спиртовой раствор с концентрацией спирта, близкой к пиву. Его необходимо перегнать в чистый спирт с помощью процесса, который также требует энергии.

Таким образом, весь процесс преобразования биомассы в пригодное для использования биотопливо требует много энергии и не всегда оптимален.

Производство биотоплива методом быстрого нагрева

Быстрый нагрев, или, если дать ему научное название, пиролиз, представляет собой процесс, при котором биомасса нагревается до 500-550 градусов по Цельсию в бескислородной атмосфере. При этом вся биомасса расщепляется на нефть, газ и коксовые остатки. Кокс — это углерод из органических материалов, таких как древесный уголь, который вы используете для барбекю.

Бионефть из обычного пиролиза содержит много воды и органических молекул, которые также содержат кислород, таких как сахара, карбоновые кислоты, кетоны, альдегиды и фенолы.

Эти молекулы не особенно стабильны и способствуют образованию твердого кокса при нагревании. Таким образом, «сырая» бионефть не является оптимальным продуктом для хранения в качестве «жидкой энергии».

Итак, нам нужен еще один шаг в этом процессе.

Реакция бионефти с водородом позволяет превратить ее в смесь бензина и дизельного топлива путем отделения кислорода в виде воды. Это делается при высоком давлении (до 100 бар), умеренной температуре (250-350 градусов по Цельсию) и с помощью катализатора, используемого на нефтеперерабатывающих заводах.

К сожалению, на практике это оказалось трудно осуществить, так как высокореакционная нефть при нагревании образует кокс, который дезактивирует катализатор и засоряет реактор, в котором происходит реакция водорода.

Метод два в одном

Так что мы можем сделать? У нас есть два метода, каждый из которых имеет потенциал, но ни один из них не может эффективно превратить биомассу в биотопливо.

В DTU мы объединили метод пиролиза и реакцию катализатора с водородом на стадии, называемой каталитическим гидропиролизом.

Он работает путем подачи в реактор твердой биомассы, в то время как катализатор находится в постоянном движении. Водород подается в основание реактора, частично поднимая биомассу, чтобы она могла двигаться. Это позволяет наиболее реакционноспособным молекулам бионефти реагировать с водородом, как только они образуются.

Это предотвращает достижение молекулами состояния, в котором они могут образовывать кокс, и, таким образом, предотвращает дезактивацию катализатора и удаляет около 95 процентов кислорода из бионефти.

При этом остаются менее реакционноспособные молекулы (около пяти процентов), которые можно удалить, пропустив масло через традиционный реактор, содержащий неподвижный катализатор.

Традиционный реактор напоминает те, которые используются для удаления серы из нефти в процессе, обычно используемом на нефтеперерабатывающих заводах, чтобы избежать серы в бензине и дизельном топливе, тем самым снижая выбросы серы автомобилями.

В результате реакции между водородом и биомассой выделяется тепло, поэтому в процессе не требуется дополнительной энергии.

Дистилляция происходит автоматически

Продуктом каталитического гидропиролиза являются масло и вода, которые, как известно, не любят смешиваться и поэтому автоматически разделяются. Это важно, так как экономит энергию на перегонке, которая обычно используется для отделения спирта от воды.

Этот процесс создает легкие газы и меньше отходов кокса. Более легкие газы включают метан, этан и пропан, а также значительное количество монооксида углерода и CO2. Последние два могут в дальнейшем реагировать с водородом с образованием метана, который вместе с другими легкими углеводородами можно использовать в качестве биогаза, что означает еще меньше отходов исходной биомассы.

Энергия может храниться

Каталитический гидропиролиз можно комбинировать с другими технологиями возобновляемых источников энергии, такими как энергия ветра или солнечная энергия, для производства водорода, который используется в процессе каталитического гидропиролиза, путем электролиза воды. Здесь вы применяете ток к воде, чтобы отделить водород от кислорода. Это было бы особенно полезно, когда есть избыток возобновляемой электроэнергии.

В качестве альтернативы водород может быть получен из легких газов. В этом режиме биогаз не образуется как побочный продукт. Это делает каталитический гидропиролиз гибкой технологией, которую можно использовать для хранения избыточной электроэнергии в жидком и газообразном топливе, либо можно использовать только биомассу и производить только жидкое топливо.

Заметно лучший выход биомассы

Итак, насколько хорошо работает наш метод?

На сегодняшний день нам удалось извлечь около 58 процентов потенциальной энергии буковой древесины в виде биотоплива. Это значительно выше, чем в биологических процессах, которые дают около 35 процентов энергии из биомассы.

Мы также провели компьютерное моделирование, которое показывает, что мы можем достичь выхода энергии до 87 процентов, когда электричество и биомасса преобразуются в бионефть и биогаз.

Хотя биомасса является возобновляемой, она по-прежнему является ограниченным ресурсом. Поэтому важно производить биотопливо максимально эффективно. Таким образом, каталитический гидропиролиз представляет собой интересный метод, с помощью которого в будущем можно будет производить биотопливо с более высоким выходом.

Эта история переиздана с любезного разрешения ScienceNordic, надежного источника англоязычных научных новостей из стран Северной Европы. Читайте оригинальную историю здесь.

Цитата: Как сделать биотопливо более экологичным (2018 г., 27 марта), получено 29 ноября 2022 г. с https://phys.org/news/2018-03-greener-biofuels.html.

Этот документ защищен авторским правом. За исключением любой честной сделки с целью частного изучения или исследования, никакая часть не может быть воспроизведена без письменного разрешения. Контент предоставляется только в ознакомительных целях.