Проектные и исследовательские работы по химии

МАОУ   « Г и м н а з и я    им.  Н. В. П у ш к о в а »

 «Биотопливо»

Авторы:  Бублей Анна, Морозова Алиса

Ученицы 10 б класса

Руководитель:  Лисаченко Ю.С.

Организация:  МАОУ «Гимназия им.Н.В. Пушкова»

г. Москва, г.о. Троицк

2016г

Содержание

1. Введение ……………………………………………………………………2
2. Объект исследования………………………………………………………3
3. Виды топлива ………………………………………………………………3
4. Технологии получения биотоплива ………………………………………8
5. Биотопливо третьего поколения…………………………………………10
6. Выводы…………………………………………………………………….11
7. Список литературы……………………………………………………….12

1. Введение

Как известно, в 21 веке широко применяется топливо, основанное на продуктах ректификационной перегонки нефти. Однако, несмотря на множество плюсов данного вида топлива, оно серьезно воздействует на экологию нашей планеты. Выбросы CO2 и SO2 накапливаются в атмосфере и являются причиной такого явления как парниковый эффект. Также утечка нефти во время её добычи загрязняет почву и воду, что приводит к гибели животных и растений. Помимо экологических аспектов возникает еще один недостаток нефтяного топлива - это неумолимо уменьшающиеся природные запасы нефти и газа, поэтому сейчас особо остро стоит проблема поиска альтернативных источников энергии. Новая отрасль современной энергетики и научная дисциплина, объединяющая решение проблем получения топлива из биомассы и охраны окружающей среды, получила название «биоэнергетика».

Цель работы

Выполняя свою исследовательскую работу, мы поставили перед собой цель выяснить, можно ли заменить традиционное нефтяное топливо альтернативными видами топлива из биоорганического сырья.

Задачи исследовательской  работы:

1. Познакомиться с видами биотоплива, их особенностями, характеристиками и классификацией; определить достоинства и недостатки каждого вида;
2. Изучить, с какими проблемами можно столкнуться при производстве биотоплива;
3. Обозначить стоимость альтернативного топлива;
4. Провести сравнительный анализ биотоплива и нефтяного топлива;
5. Проанализировать полученные данные и сделать выводы.

2. Объект исследования

Все ресурсы, которые есть на Земле, условно можно поделить на возобновляемые и не возобновляемые. Уголь, нефть, металл, в природе не восстанавливаются, а вот дрова, кукуруза, навоз могут быть получены вновь и вновь. Все, что растет или является отходами переработки такого сырья – источники возобновляемой энергии. Вот из этих биоресурсов люди ещё с давних пор получали нужное для своего существования, в том числе и биотопливо.

Объектом своего исследования мы выбрали биотопливо. Биотопливо- это топливо из животного и растительного сырья, органических промышленных отходов и отходов жизнедеятельности микроорганизмов [1]. Классифицировать его можно по агрегатному состоянию. Выделяют твердое, газообразное и жидкое биотопливо.  Следует отметить, что в своей исследовательской работе более пристальное внимание мы хотим уделить  именно тем видам биотоплива, которые возможно использовать в двигателях внутреннего сгорания автомобилей. Мы, городские жители, не можем особо повлиять на то, какое топливо будут использовать на заводах и предприятиях, однако можем улучшить экологию города, если будем стараться пользоваться самым экологически чистым автомобильным топливом.

3. Виды биотоплива

Твердое биотопливо - дрова, брикеты, топливные гранулы(прессованные мелкие остатки деревообработки). Его можно считать одним из самых древних видов топлива, известных человеку, поскольку именно дрова, кору, хворост использовали наши предки, чтобы обогреть свои жилища. В настоящее время для получения дров выращивают специальные энергетические леса, состоящие из быстрорастущих пород, как тополь, эвкалипт, ива. Также на дрова идет древесина, не достаточно качественная для производства пиломатериалов. Топливные гранулы (пеллеты) - это уже более современная разновидность твердого биотплива. Пеллеты- спрессованные изделия из торфа, древесной коры, опилок, щепок, органических отходов (навоз), соломы и даже ореховой скорлупы.

Также из древесины, т.к она богата сложными углеводами- целлюлозой и лигнином, можно получать жидкое топливо путем прокаливания с получением синтез-газа , а затем по реакции Фишера-Тропша образуется синтетический бензин.

Существует и биотопливо в виде газа. К газообразному биотопливу относят: биогаз (СН4+СО2;Н2) и синтез-газ (СО+Н2). Наибольший интерес для нашего исследования из перечисленных газов представляет биогаз, т.к он пригоден для использования в двигателях внутреннего сгорания.

Биогаз, получаемый как результат анаэробного (без доступа воздуха, метанового) брожения биомассы (навоза). Метановое разложение органических отходов происходит под воздействием трёх видов бактерий: гидролизные, кислотообразующие, метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида. В иных случаях, если происходит водородное брожение, конечным продуктом является биоводорд.

Volvo и Scania производят автобусы с двигателями, работающими на биогазе. Такие автобусы активно используются в городах Швейцарии: Берн, Базель, Женева, Люцерн и Лозанна.

Жидкое биотопливо можно подразделить на спирты (биоэтанол, биометанол и др.) и биодизель. Такое разделение возникает из-за того, что спирты можно использовать в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания со свечой зажигания, в то время как биодизель подходит исключительно как замена дизельному топливу в дизельных двигателях.

Биоэтанол - с химической точки зрения представляет собой обычный этиловый спирт. Приставка «био» говорит только о том, что он был получен из возобновляемого растительного сырья.

Из чего сегодня делают этанол? Чаще всего сырьем служит сельскохозяйственная продукция, в той же Бразилии, чтобы сделать биоэтанол, применяют сахарный тростник, солому, древесные отходы и другое аналогичное сырье. Из опилок на гидролизном производстве так же можно получить этанол.

Следует обратить внимание на:

-детонационную стойкость;

-теплоту сгорания;

-теплоту испарения.

Ему свойственны антидетонационные свойства, они выше, чем у обычного бензина. Благодаря этому можно повысить мощность; двигатель, работающий на этаноле, допускает увеличение степени сжатия. Различают несколько видов топливных смесей этанола, в которых варьируется соотношение биоэтанола к бензину.

Биодизель - это другой, не менее известный вид горючего. Он заменяет дизельное топливо (солярку), а не бензин. Производят его из растительного масла. Сырье в различных районах земного шара может быть разное: рапсовое, пальмовое, кокосовое, соевое масло, водоросли и т.д. Биотопливо подобного типа изготавливается достаточно просто, вплоть до того, что существуют самодельные установки, позволяющие производить биотопливо в домашних условиях[2].

Дизельное топливо может быть получено из любого маслосодержащего растения. Продуцентами масел могут быть не только наземные, но и водные растения (водоросли).

Достоинством биодизеля является отсутствие серы в составе выхлопных газов, и как следствие этого то, что такое биотопливо не теряет смазочных свойств, благодаря чему двигатель может служить гораздо дольше. Надо отметить, что вредного воздействия от такого топлива на окружающую природу нет. К недостаткам биодизеля стоит отнести необходимость его подогрева в холодное время года и то, что он не хранится более трех месяцев.

Наиболее оптимальным признано его использование в смеси с обычной соляркой. Выпускаются несколько разновидностей такого топлива в виде смесей, обозначаемых буквой В, число после буквы означает процентное содержание биодизеля.

Далее в таблице 1 представлена краткая характеристика всех вышеперечисленных видов биотоплива.

Таблица 1

Анализируя данные, представленные в табл.1, мы смогли сделать ряд интересных заключений. Как видно, среди представленных видов топлива самую высокую удельную теплоту сгорания имеет биогаз. Но можно выявить  один существенный недостаток данного вида топлива: для использования биогаза в двигателях внутреннего сгорания необходимо очень высокое давление(200 Атм.). Следующей альтернативой можно считать биодизель. Его КПД равен 40 МДж/кг. Более того, он является самой экологически чистой альтернативой: его выхлопы не содержат серу и не наносят вреда флоре и фауне.

Сравнительная характеристика биотоплива и нефтяного топлива

Таблица 2

Сравнительная характеристика различных видов биотоплива

Таблица 3

Основываясь на данных, полученных из таблиц 2 и 3, можно сделать вывод, что КПД нефтяного топлива, определяющееся удельной теплотой сгорания, остается выше КПД биотоплива. Биотопливо является более  детонационно-устойчивым, качественным и безопасным (окатановые и цетановые числа)[3].

4.Технологии получения биотоплива

Получение биогаза. Данный вид органического топлива вырабатывается в процессе   сбраживания биомассы. Биомасса периодически подается с помощью насосной станции или загрузчика в реактор. Реактор - подогреваемый и утепленный резервуар, оборудованный миксерами. В реакторе живут полезные бактерии, питающиеся биомассой. Продуктом жизнедеятельности бактерий является биогаз. Для поддержания жизни бактерий требуется подача корма, подогрев до 35-38°С и периодическое перемешивание. Образующийся биогаз скапливается в хранилище, затем проходит систему очистки и подается к потребителям (котел или электрогенератор). Реактор работает без доступа воздуха, герметичен и неопасен.

Получение биоэтанола. Данный вид топлива на сегодняшний день получают двумя способами: гидролизом органического сырья или брожением.

Гидролиз  -  целлюлозу  (древесина, солома)  гидролизуют (полиуглеводы подвергают разложению под действием воды). Образовавшуюся при этом смесь моноуглеводов (пентоз и гексоз) подвергают спиртовому брожению. В СССР (ныне в России) существовала достаточно развитая промышленность кормовых гидролизных дрожжей и гидролизного этанола[4].

Брожение сырья, богатого сахарами – еще один способ получения биоэтанола. Крахмал превращается в сахар, к нему добавляются дрожжи, получается брага. Чистый этанол получают путем отделения продуктов брожения, это происходит в специальных колоннах. После нескольких фильтраций производят осушку, то есть удаляют воду.

Современная промышленная технология получения этанола из пищевого сырья включает следующие стадии:

1) Подготовка и измельчение крахмалистого сырья;

2) Ферментация глюкамилазой, амилосубтилином;

3) Брагоректификация. Осуществляется на разгонных колоннах.

Производство биодизеля. Технология его получения такова – масло смешивается в определенных пропорциях со спиртом и щелочью, в результате образуется биодизель и высвобождается глицерин. который может использоваться для каких-то других целей.

Чтобы произвести биодизель, требуется уменьшить вязкость растительного масла. Чтобы ускорить процесс, в масло добавляется катализатор. Также в смесь вводят спирт. В качестве катализатора используют кислоту.

Все компоненты перемешиваются, затем необходимо время на отслоение. Верхний слой емкости – это и есть биодизель. Средний слой – мыло. Нижний слой – глицерин. Все слои идут в дальнейшее производство. И глицерин, и мыло – это необходимые в народном хозяйстве составы. Биодизель проходит несколько очисток, осушается, фильтруется.

Довольно интересны цифры данного производства: тонна масла при взаимодействии со 110 кг спирта и 12 килограммов катализатора дают в итоге 1100 литров биодизеля и более 150 кг глицерина. Биодизель имеет янтарно-желтый цвет, как красивое свежеотжатое подсолнечное масло[5].

5.    Биотопливо третьего поколения

Третье поколение биотоплива – это топливо из водорослей. Ценность такой технологии огромна. Технологии использования водорослей в качестве источника энергии занимают одно из центральных мест среди подходов современной альтернативной энергетики.

На планете огромное количество земли, которая не пригодна для выращивания пищевых растений. Именно на ней отлично приживаются водоросли. Необходимо только создать небольшие искусственные пруды или специальные биореакторы закрытого типа. Основывается данная технология на том, что в водорослях в процессе роста накапливаются масла. И ученые обнаружили, что молекулы этих масел имеют схожую структуру с обычной нефтью.

Все, что нужно для роста водорослей, это вода, свет, углекислый газ, питательная среда. Причем процесс роста водорослей имеет еще один положительный эффект для человечества: они во время роста потребляют углекислых газ, избавляя планету от парникового эффекта, и насыщают атмосферу кислородом. При переработке водорослей получается топлива в 3,5 раза больше, чем из пальмового масла, в 5 раз больше, чем из сахарного тростника, в 8 раз больше, чем из кукурузы, и в 40 раз больше, чем из сои.

Привлечение нанотехнологий открыло возможность существенно снизить стоимость получаемых из водорослей масел.

Выращивание водорослей в специально освещаемых и перемешиваемых водоемах позволяет получать биомассу не только на поверхности, но и в объеме воды. Простые способы выделения масел (отжим и экстракция) дают на выходе более 50% готового топлива от массы исходного сырья. Но пока такое производство уступает добыче нефти и некоторым другим способам производства энергии в рентабельности. Существенно снизить стоимость биотоплива из водорослей можно, если выращенные организмы не будут погибать при выделении из них липидов и жирных кислот, а оставаться живыми и способными вновь вырабатывать и аккумулировать органические соединения.

Эту задачу удалось осуществить американским ученым из Департамента энергетики США в Эймсе и Университета штата Айова[6].

6. Выводы

1. Очевидным лидером среди различных видов биотоплива является биодизель, т.к. его КПД близок к КПД минерального биодизеля и данный вид биотоплива является наименее экологически опасным;
2. Основная проблема производства биотоплива - использование земли, отведенной под пищевые культуры; истощение плодородия почв техническими культурами;
3. Цена биотоплива несколько превышает стоимость дизеля или бензина. Это связанно с тем, что производство аналогов нефтяного топлива только набирает обороты. Однако, с появлением третьего поколения сырья, водорослей, становится возможным снижение себестоимости биотоплива.

7. Список использованной литературы

1. http://altenergiya.ru/bio/podarki-ot-prirody-biotoplivo.html
2. http://aenergy.ru/
3. http://znanieavto.ru/nuzhno-znat/biotoplivo-dlya-avtomobilej.html
4. http://www.poznovatelno.ru/int/12580.html
5. http://smitnews.ru/tag/biotoplivo/
6. http://greenevolution.ru/tag/biotoplivo/?pg=18