На волне биотопливных инноваций
Биоэнергетика в России набирает обороты — и порой самыми неожиданными путями. Исследователи ищут новые способы превратить отходы в топливо и сделать альтернативную энергетику эффективнее. В этом обзоре рассказываем об интересных, порой нестандартных решениях для производства возобновляемого топлива и переработки отходов
Биодизель из микроводорослей и бионефть из сапропеля
В Институте катализа имени Г. К. Борескова СО РАН предложили получать биодизель из микроводорослей, выращивая их на сточных водах пивоваренных производств. Пивоваренные стоки относятся к пятому (наименьшему) классу опасности: в них много органики, прежде всего сахаров, и нет тяжёлых металлов, в отличие от муниципальных стоков. Микроводоросли осуществляют «предпереработку» таких стоков — потребляют органику, накапливают биомассу с высоким содержанием липидов, которые затем перерабатываются в биодизель. Это снижает нагрузку на городские очистные сооружения. Микроводоросли не требуют сельхозплощадей и при этом их продуктивность по липидам в 100 раз выше, чем у сельскохозяйственных культур.
Для производства биотоплива подходят не любые штаммы: они должны накапливать 30—40% липидов с высоким содержанием насыщенных жирных кислот, активно поглощать CO2, выдерживать температурные колебания, не требовать специфических питательных веществ и быть устойчивыми к загрязнениям в открытых системах.
Сотрудники института собрали образцы почв и воды в Западной Сибири, на Черноморском побережье, Камчатке и в Северном Казахстане, выделили из них микроводоросли и протестировали на продуктивность липидов. Отбор прошли около сотни штаммов, наиболее эффективные патентуются.
В сконструированных фотобиореакторах исследователи наработали биомассу, а затем с помощью специально созданных биокатализаторов получили образцы биотоплива.
В омском филиале Института катализа СО РАН (Центре новых химических технологий ИК СО РАН) предложили катализаторы на основе сапропеля для получения бионефти — сырья для биодизеля, биокеросина и других видов экологически чистого топлива. Сапропель (донные отложения озёр) образуется из остатков растений, живых организмов и минералов; обычно его используют в сельском хозяйстве и медицине. В Омской области много озёр с большими запасами ила, и химики нашли ему новое применение.
Носители для катализаторов делают либо из углеродных материалов, либо из оксидов металлов, а в сапропеле есть и то и другое: оксиды в минеральной части и углерод на поверхности. Это его главное преимущество. Но состав ила отличается от озера к озеру и даже в пределах одного водоёма. Чтобы это не мешало, сырьё сначала карбонизировали, а затем обработали азотной кислотой.
Полученные носители с добавлением никеля, меди и молибдена сибирские химики проверили в модельных реакциях, имитируя промышленное гидроожижение сапропеля: высушенное сырьё помещали в реактор, где под действием растворителя и водорода органическая часть ила переходила из твёрдого состояния в жидкое. Катализаторы показали высокую активность и устойчивость — содержание углеводородов в бионефти достигало 30%. Следующий этап работы — гидроочистка жидких продуктов от кислорода и азота, чтобы на выходе получалось чистое биотопливо.
Оба направления исследований объединяет ставка на возобновляемое сырьё, не конкурирующее с пищевым производством: микроводоросли на стоках пивоварен и сапропель из озёр Омской области. Пока ключевой барьер — себестоимость, но найденные решения — от отбора подходящих штаммов до катализаторов на основе местного сырья — приближают экологичное топливо к промышленному применению.
Древесная масса как биотопливо: что помогает её эффективному сжиганию
Древесная биомасса — опилки, щепа, отходы лесопиления — рассматривается в числе наиболее перспективных возобновляемых видов топлива. При её сжигании в атмосферу возвращается примерно столько же углекислого газа, сколько дерево поглотило за свою жизнь, поэтому общий баланс CO2 не нарушается. Кроме того, такое топливо даёт в разы меньше вредных оксидов азота и серы, чем уголь. Однако широкому распространению этой технологии мешают некоторые проблемы. В их числе высокая влажность свежего сырья и неоднородность его свойств.
Свежая древесина содержит до 60% влаги. Если сжигать её сырой, значительная часть тепла уйдёт не на выработку энергии, а на испарение воды, и КПД станции заметно упадёт. Поэтому биомассу приходится либо предварительно подсушивать, либо подбирать такой режим в топке, чтобы частицы успевали воспламениться без дорогостоящей сушки.
Сотрудники Томского политехнического университета (ТПУ) в двух своих работах рассматривают эти пути с разных сторон: в одной — как ускорить воспламенение влажных частиц за счёт их формы, в другой — как влияет плотность засыпки на скорость сушки.
Исследователи изучили влияние формы частиц древесины на время задержки воспламенения на примере сибирской лиственницы. Они взяли частицы древесины влажностью 40% трёх типичных форм — куб, цилиндр и сферу — двух размеров (1 и 3 мм). Каждую частицу закрепляли на держателе и вводили в раскалённую керамическую трубу с температурой от 870 до 1270 К, а процесс снимали на высокоскоростную камеру.