Biodegalai tampa vis populiaresni tarp vartotojų ir gamintojų. Be to, jei brangu gaminti, kaip ir bet kurį kitą verslą, parduoti jį vartotojams nėra sunku. Pagrindinis pardavėjų motyvas – pagarba gamtai, žalingo poveikio nebuvimas, be to, didelis efektyvumas ir maža kaina, palyginti su tradiciniu kuru. Pagrindinės biokuro rūšys: biodyzelinas, biodujos, o populiariausias – bioetanolis.
Tarptautinė kontrolė
Įdomus faktas yra tai, kad Europos Komisija ketina paskatinti valstybes nares 10% visų automobilių pakeisti biokuru. Šiam tikslui pasiekti Europos šalyse buvo sukurtos ir veikia specialios tarybos ir komisijos, skatinančios automobilių savininkus perstatyti variklius, taip pat kontroliuoti rinkoms tiekiamo biokuro kokybę.
Siekiant išlaikyti biobalansą Žemės planetoje, komisijos užtikrina, kad daugėtų augalų, kurie yra žaliava maisto gamybai, o jų nepakeistų augalai, iš kurių gaminamas biokuras. Be to, įmonės, gaminančios biologinį kurą, turi nuolat tobulinti technologijas ir orientuotis į antrosios kartos kuro gamybą.
Degalų realybė Rusijoje ir pasaulyje
Tokio aktyvaus darbo rezultatų netruko laukti. Pavyzdžiui, antrojo amžiaus dešimtmečio pradžioje Švedijoje jau veikė 300 degalinių, kuriose į baką galima pilti aplinką tausojančio biodyzelino. Jis pagamintas iš garsių Švedijoje augančių pušų aliejaus.
O 2013 metų pavasarį įvyko įvykis, tapęs lūžio tašku kuriant aviacinio kuro gamybos technologijas. Iš Amsterdamo pakilo transatlantinis lėktuvas, pripildytas biokuro. Šis „Boeing“ saugiai nusileido Niujorke, taip pažymėdamas aplinkai nekenksmingų ir nebrangių degalų naudojimo pradžią.
Rusija šiame procese užima labai įdomią poziciją. Esame įvairių rūšių biokuro gamintojai ir užimame trečią vietą kuro granulių eksportuotojų reitinge! Tačiau savo šalyje sunaudojame mažiau nei 20 % degalų ir toliau naudojame brangias rūšis.
27 Rusijos regionai tapo eksperimentinėmis vietomis, kuriose buvo pastatytos ir paleistos biodujomis veikiančios elektrinės. Šis projektas kainavo beveik 76 milijardus rublių, tačiau stočių eksploatavimo sutaupytos lėšos šias išlaidas daug kartų viršija.
Antros kartos biokuras
Gamybos sunkumas yra tas, kad jai reikia gana daug augalinių žaliavų. O norint jį auginti, reikia žemės, kuri, esant tinkama situacijai, turėtų būti naudojama maistiniams augalams auginti. Todėl naujomis technologijomis siekiama biokurą gaminti ne iš visos gamyklos, o iš kitos gamybos atliekų. Medienos apdirbimo drožlės, šiaudai po grūdų kulimo, saulėgrąžų lukštai, aliejinių augalų ir vaisių išspaudos, net mėšlas ir daug daugiau – štai kas tampa antros kartos biokuro žaliava.
Ryškus antrosios kartos biokuro pavyzdys yra „nuotekų“ dujos, tai yra biodujos, susidedančios iš anglies dioksido ir metano. Kad biodujos būtų naudojamos automobiliuose, iš jų pašalinamas anglies dioksidas, lieka grynas biometanas. Bioetanolis ir biodyzelinas iš biologinės masės gaunami maždaug tokiu pačiu būdu.
Saulėgrąžos, sojos ar rapsai yra pagrindinės augalų rūšys, iš kurių gaminamas biodyzelinas. Gryna forma jis nenaudojamas automobiliuose. Jis maišomas su tradiciniu dyzelinu, o biodyzelino turėtų būti santykiu 1:4, tai yra, penktadalis biodyzelino ir keturi penktadaliai paprasto dyzelino. Štai kodėl biodyzelino naudojimas techniniu požiūriu yra labai paprastas. Automobilio variklis nereikalauja pakeitimų ar modifikacijų. Išmetamosios dujos naudojant biodyzeliną yra daug švaresnės aplinkos požiūriu, kenksmingų medžiagų kiekis yra daug mažesnis už leistinus aplinkos parametrus. Biodyzelino energetinis efektyvumas yra šiek tiek mažesnis nei gryno dyzelino, todėl sumažėja automobilio variklio galia. Vadinasi, degalų reikia šiek tiek daugiau.
Biodyzelino gamyba leidžia naudoti bet kokios rūšies augalinius aliejus – saulėgrąžų, rapsų, linų ir kt. Skirtingos alyvos suteikia biodyzelinui savo savybes. Palmių biodyzelinas yra kaloringas, kietėja ir filtruojamas aukštoje temperatūroje. Biodyzelinas iš rapsų gerai reaguoja į šaltį, todėl jį reikėtų naudoti tik šiauriniuose rajonuose.
Kaip gaminamas biodyzelinas?
Norint gaminti biodyzeliną, reikia sumažinti augalinio aliejaus klampumą. Norėdami tai padaryti, iš jo pašalinamas glicerinas, o vietoj jo į aliejų įpilama alkoholio. Šiam procesui reikia kelis kartus filtruoti vandenį ir įvairias priemaišas. Siekiant pagreitinti procesą, į aliejų pridedamas katalizatorius. Į mišinį taip pat pridedamas alkoholis. Norint gauti metilo esterį, į aliejų įpilama metanolio, o etilo esteriui gauti etanolio. Rūgštis naudojama kaip katalizatorius.
Visi komponentai sumaišomi, tada reikia laiko atskirti. Viršutinis konteinerio sluoksnis yra biodyzelinas. Vidurinis sluoksnis yra muilas. Apatinis sluoksnis yra glicerinas. Visi sluoksniai pereina į tolesnę gamybą. Ir glicerinas, ir muilas yra kompozicijos, būtinos šalies ekonomikoje. Biodyzelinas keletą kartų valomas, džiovinamas ir filtruojamas.
Šios produkcijos skaičiai gana įdomūs: iš tonos aliejaus, sąveikaujant su 110 kg alkoholio ir 12 kilogramų katalizatoriaus, gaunama 1100 litrų biodyzelino ir daugiau nei 150 kg glicerino. Biodyzelinas gintaro geltonumo spalvos, kaip gražus šviežiai spaustas saulėgrąžų aliejus, glicerinas tamsus, kietėja jau 38 laipsnių temperatūroje. Geros kokybės biodyzelinas neturi turėti jokių priemaišų, dalelių ar suspensijų. Norint užtikrinti nuolatinę kokybės kontrolę naudojant biodyzeliną, būtina patikrinti automobilių kuro filtrus.
Bioetanolis
Šios rūšies biokuras gaminamas iš augalinių medžiagų – cukranendrių arba kukurūzų. Pagrindiniai šios rūšies biokuro gamintojai yra JAV ir Brazilija. Į įprastą benziną dedama bioetanolio. Be to, benzino pavadinime nurodytas biokuro procentas mišinyje. Pavyzdžiui, E-10 yra 90% benzino ir 10% biologinio etanolio. Šio tipo benzinas tinka bet kokio automobilio varikliui. Tačiau E-85 mišinys, kuriame yra 85% biokuro, reikalauja techninio automobilio variklio modifikavimo.
Bioetanolio gamyba
Daug cukrų turinčių žaliavų fermentacija yra bioetanolio gamybos pagrindas. Šis procesas panašus į alkoholio ar įprasto mėnulio gaminimą. Grūdų krakmolas paverčiamas cukrumi, į jį dedama mielių ir gaunama košė. Grynas etanolis gaunamas atskiriant fermentacijos produktus, tai vyksta specialiose kolonėlėse. Po kelių filtrų džiovinamas, tai yra, vanduo pašalinamas.
Į įprastą benziną galima įpilti bioetanolio be vandens priemaišų. Pramonėje labai vertinamas bioetanolio ekologiškumas ir minimalus poveikis aplinkai, be to, gaunamo biokuro kaina yra labai priimtina.
Trečiosios kartos biodegalai
Trečios kartos biokuras yra dumblių kuras. Tokios technologijos vertė yra didžiulė. Planetoje yra didžiulis žemės plotas, netinkamas maistiniams augalams auginti. Būtent ant jo dumbliai gerai įsišaknija. Tereikia sukurti nedidelius dirbtinius tvenkinius arba specialius uždarus bioreaktorius. Ši technologija pagrįsta tuo, kad aliejai kaupiasi dumbliuose augimo proceso metu. Ir mokslininkai išsiaiškino, kad šių aliejų molekulių struktūra panaši į įprasto aliejaus.
Dumbliams augti tereikia vandens, šviesos, anglies dioksido ir maistinės terpės. Be to, dumblių augimo procesas turi dar vieną teigiamą poveikį žmonijai: augdami jie sunaudoja anglies dioksidą, išlaisvindami planetą nuo šiltnamio efekto, o atmosferą prisotina deguonimi. Apdoroti dumbliai pagamina 3,5 karto daugiau degalų nei palmių aliejus, 5 kartus daugiau nei iš cukranendrių, 8 kartus daugiau nei iš kukurūzų ir 40 kartų daugiau nei iš sojų pupelių.
E. Ščugoreva
Atsinaujinančios žaliavos, apie kurias tiek daug kalbama kalbant apie gamtos išteklių išeikvojimą, yra organinės pramonės, žemės ūkio ir miškininkystės atliekos. Tokia augalinė biomasė yra pigesnė už dujas, anglį ir naftą, tuo pačiu sprendžiant atliekų šalinimo problemą. T&P publikuoja straipsnį iš „Atlas of Future Technologies“ apie tai, kaip iš dumblių pasigaminti dyzelinį kurą, iš organinių atliekų – elektrą, o iš burokėlių – biologiškai skaidžias pakuotes.
Ypač perspektyvios yra atsinaujinančių žaliavų perdirbimo į biokurą ir elektros energiją technologijos bei biopolimerinių pakuočių gamybos sprendimai. Šių technologijų naudojimas leidžia jas perdirbti, t. y. perdirbti nauju ciklu gaminant produktus (ypač kuro elementų substratus ir bioplastiką).
Šių technologijų panaudojimo galimybės Rusijoje yra labai didelės. Jų kūrimas ir įgyvendinimas vidutinės trukmės laikotarpiu leis sumažinti šalies ūkio priklausomybę nuo energijos išteklių, užsienio produktų ir technologijų, kurti naujas rinkas.
Biodyzelinas iš mikrodumblių
Didėjant gyventojų skaičiui ir tampant mobilesniems, kasmet didėja oro ir kelių transporto poreikis. Didėjantį variklių degalų poreikį galima patenkinti iš žaliųjų mikrodumblių gaminant naujos kartos biodyzeliną – alternatyvą biodyzelinui, gaminamam iš žemės ūkio kultūrų.
Žalieji mikrodumbliai gali paversti anglies dioksidą į organinius junginius ir taip valo atmosferą ir hidrosferą. Šis biokuras gali būti naudojamas dyzeliniuose varikliuose: savo sudėtimi jis labai artimas tradiciniams variklių degalams – naftos produktams. Akivaizdūs mikrodumblių privalumai – didelis biomasės augimo greitis ir aliejaus kiekis, paprastas surinkimas ir galimybė tiesiogiai auginti įmonėse ir šalia elektrinių – didina mokslininkų ir daugelio didelių korporacijų susidomėjimą jų moksliniais tyrimais ir panaudojimu pramonėje. Nemažai šalių pradėjo masinę specialių mikrodumblių auginimui skirtų bioreaktorių gamybą. Japonija ir JAV jau sėkmingai išbandė orlaivius ir transporto priemones, varomus tik biodyzelinu iš dumblių.
Efektai
Transporto sektoriaus plėtros skatinimas, draugiškesnis aplinkai ir augančių degalų poreikių tenkinimas.
Konkurencijos intensyvumo mažinimas tarp techninių ir maistinių pasėlių plotų (dėl mikrodumblių auginimo fitoreaktoriuose, sūkuriniuose plūduriuojančiuose akvariumuose, atviruose rezervuaruose).
Nepalankių socialinių ir ekonominių sąlygų regionų plėtra ir priklausomybės nuo importuojamo kuro mažinimas.
Baltymų, antioksidantų, maistinių dažiklių ir kitų naudingų produktų gavimas iš mikrodumblių.
Rinkos vertinimai
Iki 2030 m. pasaulinė biokuro gamyba padidės iki 150 mln. tonų naftos ekvivalento, o metinis augimas sieks 7–9%. Jo dalis sieks 4–6% viso transporto sektoriaus suvartojamo kuro kiekio. Dumblių biodegalai kasmet galėtų pakeisti daugiau nei 70 milijardų litrų iškastinio kuro. Biokuro rinka Rusijoje iki 2020 metų gali išaugti daugiau nei 1,5 karto – iki 5 mln. tonų per metus. Tikėtinas maksimalaus tendencijos pasireiškimo laikotarpis: 2025–2035 m.
Vairuotojai ir barjerai
Išsivysčiusių šalių aplinkosaugos politika, siekiant sumažinti aplinkos taršos mastą.
Didelės apimties investicijų poreikis biodyzelino gamybos įmonėms statyti ir technologiniams procesams įrengti.
Mikrodumblių augimo efektyvumo priklausomybė nuo saulės šviesos intensyvumo (auginant atviruose rezervuaruose).
Struktūrinė analizė
Pasaulinės biokuro rinkos struktūros prognozė: 2022 m. (%)
Elektra iš organinių atliekų
Atliekų šalinimo ir perdirbimo procesai gali būti derinami su praktiškai reikšmingų produktų ir net elektros energijos gamyba. Specialių prietaisų – mikrobinių kuro elementų (MFC) – pagalba atsirado galimybė elektrą gaminti iš atliekų tiesiogiai, apeinant biodujų gavimo ir vėlesnio perdirbimo į elektros energiją etapus.
MFC yra bioelektrinė sistema. Jo veikimo efektyvumas priklauso nuo bakterijų, kurios skaido organinius junginius (atliekas) ir perneša elektronus į elektros grandinę, įmontuotą toje pačioje sistemoje, metabolinio aktyvumo. Didžiausią tokių bakterijų efektyvumą galima pasiekti integruojant jas į nuotekų valymo įrenginių technologinę schemą, kurioje yra organinių medžiagų, kurias skaidant išsiskiria energija.
Jau yra laboratorinių patobulinimų, leidžiančių naudoti MFC baterijoms įkrauti. Technologiniams sprendimams plečiantis ir optimizuojant, atsiras galimybė tiekti elektros energiją smulkiajam verslui. Pavyzdžiui, didelio našumo MFC, veikiantys nuo dešimčių iki tūkstančių litrų, aprūpins valymo įrenginius autonomiškai.
Efektai
Didinti gamybos procesų ekologiškumą ir įmonių efektyvumą, mažinti priklausomybę nuo išorinių elektros energijos šaltinių, mažinti gamybos kaštus ir valymo technologijų įsigijimo kaštus.
Energijos trūkumo regionuose padėties gerinimas, jų konkurencingumo didinimas naudojant MFC.
Galimybė autonomiškai gaminti elektrą nenaudojant energijos (pvz., mažuose ūkiuose).
Rinkos vertinimai
70% – atliekų, kurios bus apdorojamos biotechnologijomis, dalis Rusijoje iki 2020 metų padidės, palyginti su 2012 metais. Europos Sąjungos šalyse elektros energijos iš biodujų dalis sudarys apie 8%. Tikėtinas maksimalaus tendencijos pasireiškimo laikotarpis: 2020–2030 m.
Vairuotojai ir barjerai
Didėjantys organinių atliekų kiekiai ir didėjanti elektros energijos paklausa.
Galimybė eksploatuoti MFC tipo bioreaktorius naudojant įvairius energijos šaltinius, įskaitant nuotekas.
Nepakankamas investicijų lygis, reikalingas MFC integravimui į technologinius procesus, ilgas atsipirkimo laikotarpis.
Būtinybė susieti bioreaktorius su atliekų susidarymo vietomis.
Palyginti mažas šiuo metu veikiančių bandomųjų pramoninių MFC tipo bioreaktorių konstrukcijų efektyvumas.
Struktūrinė analizė
Mikrobinių elektrocheminių sistemų tyrimai pagal tipus: 2012 m. (%)
Biologiškai skaidžios polimerinės pakuotės
Plačiai paplitęs pakuočių, pagamintų iš sintetinių polimerų (maišelių, plėvelių, taros) platinimas, paaštrėja aplinkos taršos problemą. Tai galima išspręsti pereinant prie pakavimo medžiagų, pagamintų iš biologiškai skaidžių polimerų, kurios yra greitai perdirbamos ir lengvai naudojamos.
Daugumoje išsivysčiusių šalių pakuočių gamyboje pastebima tendencija sunkiai ir ilgai (iki kelių šimtų metų) suyrančius sintetinius polimerus keisti biologiškai skaidomais (su šalinimo terminu 2–3 mėn.). Vien Vakarų Europoje metinis jų suvartojimo kiekis siekia apie 19 tūkst.t, Šiaurės Amerikoje – 16 tūkst.t. Tuo pačiu metu biopolimerinės pakavimo medžiagos daugeliu rodiklių vis dar atsilieka nuo tradicinių sintetinių.
Biopolimerinių medžiagų, kurių pagrindą sudaro pieno rūgštis, gamybos iš grūdinių kultūrų ir cukrinių runkelių augalinių cukrų technologijos leidžia pagaminti pakuotes, pasižyminčias aukštomis vartotojiškomis savybėmis: elastingos ir patvarios, atsparios drėgmei ir agresyviems junginiams, nepralaidžios kvapams, pasižyminčios aukštomis barjerinėmis savybėmis. o kartu efektyviai ir greitai suyra . Tobulinant technologijas, siekiama mažinti jų medžiagų ir energijos sąnaudas.
Efektai
Nišinių rinkų formavimas ir plėtra – susitraukiančios pakuotės, drėgmei ir kvapams atsparūs maišeliai, smūgiams atsparūs konteineriai ir kt.
Ekonomikos priklausomybės nuo naftos ir dujų žaliavų mažinimas.
Sumažinti neigiamą poveikį aplinkai.
Didinti gyventojų aplinkosauginę kultūrą, skatinti sveiką gyvenimo būdą masiškai naudojant kokybiškas ir patogias biologiškai skaidžias pakuotes.
Rinkos vertinimai
Iš atsinaujinančių išteklių pagamintų biopolimerų rinka kasmet augs 8–10 proc. Intensyviausiai vystysis pakavimo medžiagų segmentas. Jau dabar šio segmento apimtys sudaro 90% dabartinio pasaulinio biopolimerų suvartojimo (205 mln. tonų). Biopolimerų rinkos pajėgumai 2020 metais sieks 4 mlrd. Tikėtinas maksimalaus tendencijos pasireiškimo laikotarpis: 2025–2030 m.
Vairuotojai ir barjerai
Griežtinami aplinkosaugos reikalavimai pakavimo medžiagoms, didėja tradicinių pakuočių perdirbimo kaštai.
Neskaidžių pakuočių naudojimo mažinimas, nes išsivysčiusiose šalyse reikia taupyti neatsinaujinančius naftos ir dujų išteklius.
Nepakankamai išplėtotas gyventojų ir verslo aplinkosauginis švietimas.
Didesnė biologiškai skaidžių polimerų kaina, palyginti su sintetiniais.
Struktūrinė analizė
Biopolimerinės medžiagos bioplastiko gamybos rinkoje: 2010–2011 (%).
Skiltyje „Atviras skaitymas“ publikuojame knygų ištraukas tokia forma, kokia jas pateikia leidėjai. Nedidelės santrumpos žymimos elipsėmis laužtiniuose skliaustuose. Autoriaus nuomonė gali nesutapti su redakcijos nuomone.
Perspektyvi biokuro žaliava – jūriniai mikrodumbliai, kuriems nereikia nei švaraus vandens, nei žemės.
Mokslininkai nustatė iš mikrodumblių gauto biokuro sudėtį Spirulina platensis, naudojant didelės skiriamosios gebos masės spektrometriją. Mokslininkai ištyrė dvi biokuro frakcijas, kurios gaunamos specialiu metodu apdorojus dumblių masę. Be to, jie parodė, kad biokuras savo sudėtimi turi mažai ką bendro su aliejumi, tačiau turi kažką bendro su briliantine žalia – ta pačia, kurią galima nusipirkti bet kurioje vaistinėje. Darbą atliko mokslininkų grupė iš Skoltech, Rusijos mokslų akademijos V. L. Talrose Cheminės fizikos energetikos problemų instituto, Rusijos mokslų akademijos N. M. Emanuelio Biocheminės fizikos instituto, Jungtinio aukštų temperatūrų instituto. Rusijos mokslų akademija, Maskvos valstybinis universitetas ir Maskvos fizikos ir technologijos institutas. Tyrimas buvo paskelbtas Europos masių spektrometrijos žurnale. Maskvos fizikos ir technologijos instituto pranešime spaudai tai trumpai aprašoma.
Dumbliai kaip aplinkos išsigelbėjimas
Biokuras, kaip alternatyvus energijos šaltinis, yra ypač įdomus, nes gali padėti išspręsti tokias problemas kaip naftos atsargų išeikvojimas ir visuotinis atšilimas. Skirtingai nuo naftos, biodegalai gaminami iš atsinaujinančių gamtos išteklių ir degdami išskiria mažiau šiltnamio efektą sukeliančių dujų. Pavyzdžiui, Brazilija jau dabar patenkina 40 % savo poreikių naudodama biokurą.
Žemės ūkio kultūros ir kiti augalai naudojami kaip biokuro žaliava. Tačiau šiuo atveju būtina užimti derlingą žemę, kuri galėtų išmaitinti žmones. Perspektyvi biokuro žaliava – jūriniai mikrodumbliai, kuriems nereikia nei švaraus vandens, nei žemės. Dumbliai aktyviai sugeria anglies dioksidą, o tai reiškia, kad jų naudojimas yra tikrai naudingas mažinant šiltnamio efektą. Mikrodumblių kuras yra vadinamas trečios kartos biokuru, šiuo metu vyksta aktyvūs jo kūrimo darbai.
Biokuro receptas
Jei žinome biokuro sudėtį, galime pagerinti jo gamybos procesą. Pradiniai kuro iš dumblių masės gamybos būdai buvo energetiškai nepalankūs, nes daug energijos buvo sunaudojama džiovinant dumblius, kuriuose yra daug vandens.
Komerciniam naudojimui reikėjo naujo, efektyvesnio metodo. Ir buvo išrastas toks būdas – tai vadinamasis hidroterminis skystinimas: drėgna biomasė įkaitinama iki aukštesnės nei 300℃ temperatūros, suspaudžiama 200 atmosferų slėgiu ir išeigoje gaunamas kuras. Maždaug tokiu pačiu principu veikia ir gamtoje, kai žemėje esant aukštai temperatūrai ir aukštam slėgiui susidaro nafta, tik reaktoriuje tai vyksta greičiau. Rezultatas – dvi frakcijos: skystas biokuras ir tiršta masė, kuri lieka reaktoriuje. Tai mišiniai, sudaryti iš tūkstančių atskirų komponentų, o masės spektrometrija geriausiai tinka jų sudėčiai nustatyti.
Masių spektrometrija
Masių spektrometrija yra tyrimo metodas, kuriuo galima nustatyti medžiagos sudėtį. Metodas pagrįstas tuo, kad elektriniame ir/ar magnetiniame lauke skirtingi junginiai elgiasi skirtingai, priklausomai nuo jų masės ir krūvio m/z santykio. Išeiga yra masės spektras – grafikas su intensyvumo smailėmis, kur kiekviena smailė atitinka savo m/z reikšmę.
Skystosios frakcijos (viršuje) ir kietosios frakcijos (apačioje) masės spektrai
Mokslininkai naudojo masės spektrometriją tirdami biokurą, gautą iš dumblių Spirulina platensis. Hidroterminio skystinimo proceso metu visos medžiagos, kurių virimo temperatūra žemesnė nei 300 laipsnių, iš reaktoriaus išeina dujų pavidalu ir atšaldomos specialioje talpykloje. Taip gaunama skystoji frakcija, o kietoji frakcija lieka reaktoriuje. Masių spektrometrinė analizė parodė, kad abiejose frakcijose yra daugiausiai medžiagų, turinčių N ir N 2, tačiau kietosios frakcijos komponentai yra įvairesni ir savo savybėmis skiriasi nuo skystosios frakcijos komponentų. Biokuruose esančios medžiagos neturėjo nieko bendra su įprastoje žalioje naftoje esančiomis medžiagomis, nors jos yra degios. Masių spektrometrija leidžia sužinoti tik medžiagų molekulines formules (pavyzdžiui, C 18 H 35 N 2). Norėdami gauti šiek tiek informacijos apie molekulių struktūrą, mokslininkai panaudojo vandenilio pakeitimo deuteriu metodą.
Vandenilio pakeitimas deuteriu
Prieš paleidžiant molekules į masės analizatorių, jas reikia įkrauti, kitaip elektromagnetinis laukas jų nepaveiks. Paprastosios molekulės turi krūvį z=0, o jose esančių protonų skaičius lygus elektronų skaičiui. O jei, pavyzdžiui, prie molekulės prijungtas protonas (dalelė su krūviu +1), tai ji taps jonu, kurio krūvis z=1. Molekulių pavertimo jonais procesas vadinamas jonizacija. Vandenilį pakeitus deuteriu, jonų* masė padidėja, o smailė spektre pasislenka. Remdamiesi tuo, ar smailė pasislinko, ar ne, mokslininkai nustato, kur molekulėje buvo vandenilis. Tačiau joks vandenilis neužleis savo vietos deuteriui, tiksliau, ne bet kuri vieta, kur vandenilis negalės išsilaisvinti.
Deuterio arba sunkiojo vandenilio branduolyje, be protono, yra neutronas, kuris veikia masę, bet ne krūvį
Prieš įvedant į masės analizatorių, mėginio molekulės jonizuojamos. Šiuo atveju prie neutralių junginių buvo pridėta protonų ir jie virsta teigiamais jonais. Pritvirtintą protoną nesunkiai pakeičia deuteronas, tačiau pasirodo, kad kai kuriuose biokuro komponentuose pakeitimas neįvyksta. Mokslininkai tai suprato iš pasislinkusios smailės, gaunamos pakeitimo metu, intensyvumo. Įprastoje alyvoje pasislinkusi smailė buvo tokio paties intensyvumo kaip ir nepaslinkta, o tai reiškia, kad pakeitimas įvyko visiškai.
Biokuro atveju pasislinkusios smailės intensyvumas buvo penkis kartus mažesnis. Tai reiškia, kad po viena smaile yra keli junginiai ir ne visi jie turi prijungtą vandenilį, kurį būtų galima pakeisti deuteriu. Jei medžiagos negali būti jonizuojamos, jos jau yra teigiami jonai ir tokia forma yra biokuruose. Šios medžiagos yra panašios į kai kuriuos dažus, pavyzdžiui, briliantinę žalią, kuri yra briliantinės žalios spalvos dalis.
Jevgenijus Nikolajevas, Rusijos mokslų akademijos narys korespondentas, Skoltech profesorius, MIPT Jonų ir molekulinės fizikos laboratorijos mokslinis direktorius, komentuoja: „Mikrodumblių hidroterminio suskystinimo produktų tyrimas naudojant masės spektrometriją yra svarbus siekiant padidinti efektyvumą. biokuro gamybos. Būsimas darbas turėtų būti sutelktas į didžiausią lipidų kiekį turinčių dumblių veislių naudojimą ir tokių veislių kūrimą naudojant genetinę modifikaciją. Taip iš jų galime atrinkti efektyviausią žaliavą biokurui.paskelbta
Į ILA aviacijos parodą Berlyne žmonės ateina pirmiausia norėdami pamatyti lėktuvų. Bet be degalų lėktuvai skristi negali, o amžinai tai netrunka, todėl milžiniškų lėktuvų kūrėjas EADS koncernas rimtą dėmesį skiria ateities degalų kūrimui.
Kaip sako Raineris Weigneris, „šioje neapibrėžtoje instaliacijoje, pavadintoje „Photobioreactor“, mokslininkai iš Pramoninio grūdų naudojimo instituto, užsakyto EADS, augti dumbliai kuris gali būti naudojamas kurui gaminti, dumbliams augti reikia tik šviesos ir anglies dioksido“. Koncernas deda dideles viltis į šį kuro gamybos būdą, antraip to nebūtų parodęs bioreaktorius jos stende Berlyne.
Kurti kurą iš augalinių medžiagų nėra nauja idėja, tam jau naudojamos bulvės ir grūdiniai augalai – ryžiai, kukurūzai, kviečiai. „Šiuo atveju iškyla visų pirma moralinių ir etinių problemų, – sako instituto mokslininkas Otto Pulte, – juk degalams gaminti naudojamas maistas, kurio trūksta daugelyje pasaulio šalių. Šiame EADS užsakytame projekte dirbantys mokslininkai siūlo savo technologiją augantys dumbliai ir žibalo gamyba iš jų.
Dumbliai yra geri, nes jie auga labai greitai ir suteikia daug medžiagos, reikalingos kurui sukurti. Be to, dumbliai gali augti bet kur, o svarbiausia, kad nešvaistysite maisto kurdami kurą.
Netoli Berlyno esančioje instituto vietoje jau sukurti dideli, praktiškai pramoniniai įrenginiai augantys dumbliai. Tačiau šis procesas vis dar per brangus. 1 kilogramas biomasės, gautos iš dumblių, pasaulinėje rinkoje kainuoja nuo 10 iki 20 dolerių. Tokia gamyba gali būti pelninga, jei kilogramas kainuoja ne daugiau kaip 1 dolerį. Žinoma, jei tai įtrauksite į gamybos srautą, jums reikės milijonų tonų biomasės, o sąnaudas galima sumažinti. Todėl mokslininkai nusiteikę optimistiškai.
Bandomieji lėktuvų, varomų tokiu kuru, skrydžiai jau įvyko, galima tikėtis, kad kūryba reaktyvinis kuras iš dumblių– taps pelningu ūkio sektoriumi.
Jokio žibalo, tik dumbliai – būtent tokiu principu veikia šis naujas produktas aviacijos pramonėje. Naujos kartos lėktuvai Deimantinis lėktuvas DA42 sukasi Berlyno danguje jūros dumblių kuras. Parodomasis skrydis vyksta kaip tarptautinio oro šou dalis. Pristatė aplinkai draugišką stebuklą – Europos aviacijos ir kosmoso gynybos koncerną.
- « Jūros dumblių kuras imlesnė energijai - 5-10%, be to, jo privalumai yra ir išmetamųjų dujų kokybė, ji yra aukštesnė nei dirbant su įprastu žibalu. Pasak gamintojų, biodegalai Yra dar vienas svarbus privalumas: - „Biokurą galima gaminti bet kur, tereikia saulės šviesos, anglies dvideginio, maistinių medžiagų ir vietos, kur tai padaryti“. Tačiau yra dumblių biokuras ir vienas reikšmingas dalykas – jį pagaminti itin brangu.
„Negaliu pasakyti, kiek galiausiai kainuos 1 litras jūros dumblių kuro, bet jis bus daug brangesnis. Deja, dar nepasiekėme tokio lygio, kad galėtume gaminti dideliais kiekiais pardavimui.“
Atsakant į klausimą „Kiek ilgai pasaulinė bendruomenė lauks biokuro lėktuvų? Stulbergeris atsakė, kad dar 5-10 metų.
Energetinėmis savybėmis dumbliai gerokai pranašesni už kitus šaltinius.
200 tūkstančių hektarų tvenkinių gali pagaminti tiek kuro, kad per metus sunaudotų 5% JAV automobilių. 200 tūkstančių hektarų yra mažiau nei 0,1% JAV žemės, tinkamos auginti dumblius.
Tačiau dumbliai, kuriuose yra daugiau aliejaus, auga lėčiau. Pavyzdžiui, dumbliai, kurių sudėtyje yra 80% aliejaus, auga kartą per 10 dienų, o dumbliai, kurių sudėtyje yra 30% aliejaus, auga 3 kartus per dieną.
Dumblių gamyba patraukli ir tuo, kad biosintezės metu iš atmosferos absorbuojamas anglies dioksidas.
Tačiau pagrindinis technologinis sunkumas yra tas, kad dumbliai yra jautrūs temperatūros pokyčiams, kurie dėl to turi būti palaikomi tam tikrame lygyje (staigūs dienos svyravimai yra nepriimtini).
Be to, komerciniam dumblių kaip kuro panaudojimui šiuo metu trukdo tai, kad trūksta veiksmingų priemonių dideliems dumblių kiekiams surinkti. Taip pat būtina nustatyti efektyviausias aliejaus rinkimo rūšis.
Dumblių auginimo technologijos
JAV Energetikos departamentas pagal vandens rūšių programą tiria dumblius, kuriuose yra daug aliejaus. Tyrėjai padarė išvadą, kad Kalifornija, Havajai ir Naujoji Meksika yra tinkamos pramoninei dumblių gamybai atviruose tvenkiniuose. 6 metus dumbliai buvo auginami 1000 m2 ploto tvenkiniuose. Įrodyta, kad tvenkinys Naujojoje Meksikoje yra labai efektyvus CO2 surinkimui. Išeiga buvo daugiau nei 50 gramų. dumblių nuo 1 m2 per dieną.
Be dumblių auginimo atviruose tvenkiniuose, yra dumblių auginimo technologijos mažuose bioreaktoriuose, esančiuose šalia elektrinių. Šiluminės elektrinės atliekinė šiluma gali padengti iki 77% dumblių auginimui reikalingos šilumos. Šiai technologijai nereikia karšto dykumos klimato.
„BioKing“ pradėjo masinę savo patentuotų, nedelsiant naudojamų dumblių bioreaktorių, įskaitant greitai augančius, daug aliejaus turinčius dumblius, gamybą.
Ispanijos mokslininkai aptiko mikrodumblių rūšį, kuri tam tikromis apšvietimo sąlygomis gali daugintis daug greičiau nei kiti biologiniai atitikmenys. Jei atviroje jūroje kiekvienam kubiniam metrui vandens tenka iki 300 dumblių egzempliorių, tai tyrėjai už tą patį kubinį metrą vandens gavo 200 mln.
Mikrodumbliai auga 70 cm skersmens ir 3 m ilgio plastikiniame cilindre Dumbliai dauginasi dalijantis. Jie dalijasi kas 12 valandų, ir palaipsniui vanduo cilindre virsta žalia tankia mase. Kartą per dieną cilindro turinys centrifuguojamas. Likusią dalį sudaro beveik 100 % biokuras. Riebalais prisotinta šios masės dalis virsta biodyzelinu, o angliavandeniliai – etanoliu.
Biokuro iš dumblių kūrimas
„Chevron Corporation“, viena iš pasaulio energetikos gigantų, pradėjo tyrinėti galimybę panaudoti dumblius kaip energijos šaltinį transportui, ypač reaktyviniams lėktuvams. Tyrimo metu bus tiriamos dumblių rūšys, kurių sudėtyje yra didžiausias aliejaus procentas, sukurti dumblių auginimo būdai.
Honeywell, UOP neseniai pradėjo projektą kariniam reaktyviniam kurui gaminti
dumbliai ir augaliniai aliejai.
Green Star Products baigė dumblių biodyzelino demonstravimo gamyklos Montanoje 2 etapą. Antrojo etapo metu buvo parinktos optimalios sąlygos augti dumblių štamui zx-13.
GSPI sukūrė hibridinę dumblių auginimo tvenkiniuose sistemą – Hybrid Algae Production System. Įprasti dumbliai gyvena maždaug 30 laipsnių Celsijaus vandens temperatūroje, zx-13 išgyvena maždaug -44 laipsnių temperatūroje.
Tačiau antrajame bandymų etape GSPI negalėjo sukurti dumblių surinkimo technologijos. Dumbliai subrendo anksčiau nei tikėtasi, o įranga dar nebuvo paruošta. GSPI technologija leidžia rinkti didesnius nei 2 mikronų dumblius. Mažesni dumbliai grąžinami į tvenkinį tolimesniam auginimui.
Kitame etape GSPI technologija bus išbandyta 100 arų tvenkinyje. Vyksta derybos dėl 100 akrų tvenkinio Kalifornijoje, Misūryje ir Jutoje. Ateityje galima plotą padidinti iki 500 - 1000 arų.
Didžioji Japonijos energetikos įmonė Tokyo Gas Co ketina statyti demonstracinę gamyklą, kuri gamins elektros energiją iš jūros dumblių. Dujų generatoriams eksploatuoti stotyje bus naudojamas metanas, išsiskiriantis iš smulkiai susmulkintų dumblių.
Daugeliui Japonijos prefektūrų, įskaitant sostinę, pakrančių tarša dumbliais išlieka rimta aplinkos problema. Kai jie pūva, jie dažnai skleidžia nemalonų kvapą ir gadina kraštovaizdį.
Tuo tarpu naujausia Japonijos specialistų plėtra siūlo šią problemą išspręsti su ekonomine nauda. Jau keletą metų laboratorijoje veikiantis eksperimentinis gamyklos modelis su dujiniu elektros generatoriumi leidžia sunaikinti iki 1 tonos dumblių per dieną.
Taip pagaminama apie 9,8 kilovato elektros energijos. Šioje bandomojoje gamykloje per mėnesį pagaminama apie 20-30 kubinių metrų metano – tokio kiekio pakanka, kad vidutinės šeimos mėnesio elektros suvartojimas sumažėtų lygiai perpus.
Tokyo Gas skaičiavimais, gamyklos statybai, priklausomai nuo gamybos pajėgumų, reikia nuo kelių dešimčių milijonų iki 200 milijonų jenų.
Ispanijos bendrovė „Bio-Fuel-Systems“ planuoja ne tik gaminti kurą iš dumblių, bet ir sumažinti anglies dvideginio kiekį, kuris susidaro gaminant elektrą naudojant iškastinį kurą. 2008 m. planuojama panašią instaliaciją pastatyti Alikantės rajone.
„Shell“ ir „HR Biopetroleum“ Havajų salose ketina statyti bandomąją gamyklą, kuri gamins augalinį aliejų iš mikrodumblių ir toliau jį perdirbs į biokurą.
Mikrodumbliai bus auginami vietoje, specialiame lauko baseine su jūros vandeniu. Mikrodumblių rūšys bus atrenkamos tolesniam naudojimui iš vietinių jūros organizmų mėginių, kaip atrankos kriterijai bus naudojami greitas dumblių augimas ir didžiausias augalinio aliejaus išeiga.
Aviacijos pramonė taip pat paskelbė apie jūros dumblių, kaip žaliavos aviaciniam kurui gaminti, naudojimo pradžią. „Boeing“ paskelbė, kad ateityje aviaciniam biokurui gaminti gali būti naudojama alternatyva biodyzelinui, pagamintam iš jūros dumblių.
Remiantis dokumentu, joks šiandien gaminamas biokuras negali būti naudojamas kaip aviacinis kuras. Etanolis sugeria vandenį ir korozuoja variklį bei degalų linijas, o biodyzelinas užšąla žemoje temperatūroje (kreiseriniame aukštyje). Be to, biokuras pasižymi mažesniu terminiu stabilumu nei įprastiniai reaktyviniai degalai.
„Boeing“ ekspertai mano, kad optimali žaliava biokuro gamybai bus jūros dumbliai, iš kurių išgaunama 150–300 kartų daugiau aliejaus nei iš sojų pupelių. Jų nuomone, dumblių biokuras yra aviacijos ateitis. Taigi, jei visas pasaulio oro linijų parkas 2004 m. naudotų 100 % biokurą, gautą iš jūros dumblių, reikėtų 322 milijardų litrų naftos.
Norint auginti šiuos dumblius, reikia 3,4 milijono hektarų žemės. Skaičiuojant daroma prielaida, kad vienas hektaras kasmet duoda 6500 litrų derliaus. Šiems tikslams galima naudoti žemes, kurios netinkamos maistiniams augalams auginti.
Įkeliama...
