Производство биотоплива - Курсовая работа

На стыке биотехнологии и энергетики интенсивно развивается техническая биоэнергетика - наука о путях и механизмах трансформации энергии в биологических системах. Биотопливо - это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки стеблей сахарного тростника или семян рапса, кукурузы, сои. В настоящее время 85 % производимого в мире этанола используется в качестве добавки к топливу для двигателей внутреннего сгорания (бензина), 5 % - в технических целях (производство этилацетата, ацетальдегида, уксуса, различных эфиров, парфюмерии, бытовой химии и т.д.) и лишь около 15 % - для производства спиртных напитков. в-третьих, к бензину можно добавлять до 10 % этанола без изменения регулировки двигателя и теплотворной способности; биоэтанол прекрасно смешивается с бензином, соляркой и другим горючим. Следует учитывать и тот факт, что во многих странах этанол в качестве топлива может частично заменить импортируемые нефть и нефтяные продукты.Биоэтанол - это жидкое спиртовое топливо, которое производится из сельскохозяйственной продукции, содержащей крахмал или сахар, например, из кукурузы, зерновых или сахарного тростника. В отличие от спирта, из которого производятся алкогольные напитки, топливный этанол не содержит воды и производится укороченной дистилляцией (две ректификационные колонны вместо пяти) поэтому содержит метанол и сивушные масла, а также бензин, что делает его непригодным для питья.Для производства этилового спирта используются многие виды крахмалистого и сахаристого сырья: зерно, картофель, меласса. Зерно состоит из трех основных частей: зародыша, эндосперма и оболочки. В зерне содержится в среднем 14-15 % влаги и 85-86 % сухих веществ. Картофель наиболее полно отвечает технологическим требованиям спиртового производства, так как быстро разваривается, образует подвижное сусло, содержащее необходимое количество азотистых веществ для питания дрожжей; картофельный крахмал обеспечивает наиболее высокий выход спирта. Картофель дает с единицы посевной площади в 3-4 раза больше крахмала, чем зерно.На жидкое биотопливо в мире возлагаются большие надежды как на ресурс, потенциально способный смягчать последствия глобального изменения климата, содействовать достижению энергетической безопасности и поддерживать сельскохозяйственных производителей во всем мире. Многие государства ссылаются на эти цели, обосновывая реализацию политики, стимулирующей производство и использование жидкого биотоплива на основе сельскохозяйственной продукции. С другой стороны отношение к биотопливу стали более трезвыми, когда были осознаны экологические последствия его биотоплива на основе сельскохозяйственных ресурсов, и без того подвергающихся чрезмерной эксплуатации. Кроме того, в условиях дефицита пахотных земель и невысокой урожайности в развивающихся странах выращивание сельскохозяйственных культур привело к росту цен на продовольствие и послужило причиной социальных протестов во многих странах.Общемировая средняя урожайность культур, обеспечивающих сырье для получения этанола первого поколения, варьируется в пределах от 1,3 тонны с гектара для сахарного сорго до 65 тонн для сахарного тростника. По расчетам специалистов, производство биоэтанола окупается при ценах на нефть, превышаю В работе ОЭСР-ФАО оцениваются средние издержки производства биотоплива из альтернативного сырья в отдельных странах, что показано на диаграмме. И напротив, предприятия по переработке в Европе и США, как правило, платят за топливо платят за топливо, а побочные продукты процессов производства этанола и биодизеля в лучшем случае продают на корм животным. щих 60 долл за баррель. Совокупный среднегодовой темп роста (CAGR) объема рынка биоэтанола в 2015-2020 гг. составит 12,8%. Согласно пессимистическому прогнозу ожидаемый объем потребления биоэтанола в мире в 2020 г. составит 187,5 млрд. литров.Сырьем, традиционно используемым для производства этанола, являются зерно, картофель, сахарная свекла, сахарный тростник, сахарное сорго, меласса. Себестоимость этанола на 70-80% зависит от затрат на сырье; самая низкая себестоимость - около 200 евро/т - при переработке сахарного тростника, самая высокая - 1000-1100 евро/т - при переработке картофеля. Блок-схема производства этанола из зерна или картофеля представлена на рис. Подготовка сырья заключается, как правило, в измельчении сырья и его водно-тепловой обработке; осахаривание - под действием специальных ферментных препаратов; сбраживание сахаросодержащих сред - под действием дрожжей (в ряде современных технологий стадии осахаривания и сбраживания совмещены); отгонку этанола осуществляют на двухколонных брагоректификационных установках; окончательное обезвоживание - на цеолитах. Здесь уместно вспомнить, что в РФ накоплен значительный теоретический задел и промышленный опыт кислотно-каталитического осахаривания целлюлозы, находящейся непосредственно в древесине; работы в этом направлении продолжаются; в частности, в Сибирском Федеральном Университете разработан процесс получения э

Содержание

Введение

1. Теоретические основы биотехнологического процесса

1.2 Сырье для производства биоэтанола

2. Аналитический обзор мирового состояния и тенденций развития производства

2.1 Экономика производства биоэтанола

3. Технико-экономическое обоснование и описание технологии

3.1 Типовая технология производства биоэтанола

3.2 Этапы производства биоэтанола

Заключение

Список использованных источников

Разработка биотехнологических методов производства энергетических веществ и добычи сырьевых ресурсов стала особенно актуальной в последние десятилетия изза острого дефицита сырья и энергии в глобальном масштабе, повышения экологических требований. На стыке биотехнологии и энергетики интенсивно развивается техническая биоэнергетика - наука о путях и механизмах трансформации энергии в биологических системах. Она использует научные достижения микробиологии, биохимии, биофизики, молекулярной биологии, генетики, генетической инженерии, химии органического синтеза, химии высоких температур и других наук. По мере удорожания нефтяного сырья интерес к производству топлива методами биотехнологии постоянно повышается. Уже внедрено или находится в стадии разработки большое количество биотехнологических процессов, которые можно использовать для решения энергетической проблемы. Биотехнологические способы получения энергии уже оказывают большое влияние на энергетический потенциал многих стран. Биотопливо - это топливо из биологического сырья, получаемое, как правило, в результате переработки стеблей сахарного тростника или семян рапса, кукурузы, сои.

В настоящее время 85 % производимого в мире этанола используется в качестве добавки к топливу для двигателей внутреннего сгорания (бензина), 5 % - в технических целях (производство этилацетата, ацетальдегида, уксуса, различных эфиров, парфюмерии, бытовой химии и т.д.) и лишь около 15 % - для производства спиртных напитков.

Потенциальная ценность этанола в качестве моторного топлива обусловлена четырьмя обстоятельствами: во-первых, этанол представляет собой легко транспортируемую жидкость;

во-вторых, его теплотворная способность довольно высока и составляет около двух третей от теплотворной способности бензина;

в-третьих, к бензину можно добавлять до 10 % этанола без изменения регулировки двигателя и теплотворной способности; биоэтанол прекрасно смешивается с бензином, соляркой и другим горючим. В-четвертых, этанол повышает октановое число бензина, не содержащего тетраэтилсвинец.

Следует учитывать и тот факт, что во многих странах этанол в качестве топлива может частично заменить импортируемые нефть и нефтяные продукты. С 70-х годов прошлого века интерес к вопросам получения биоэтанола и его использованию в качестве добавок к моторному топливу резко возрос. Особенностью нынешнего периода является постоянный рост цен на нефть и продукты ее переработки, что служит мощным экономическим фактором развития альтернативной биотопливной индустрии.

Наряду с этим учитывается экологический аспект, когда добавление этанола к бензину вызывает снижение вредных выбросов в атмосферу за счет более полного сжигания топлива, связанное с присутствием в молекуле спирта кислорода. Биоэтанол как топливо нейтрален в качестве источника парниковых газов. Это, однако, не означает, что при сгорании биоэтанола образуется меньше диоксида углерода. При сгорании биоэтанола в атмосферу возвращается углерод, который ранее поглотили растения, поэтому углеродный баланс планеты остается неизменным. Ископаемые топлива - совсем другое дело: углерод в их составе миллионы лет оставался "законсервированным" в земных недрах. Когда он попадает в атмосферу, концентрация углекислого газа повышается. В 2006 году применение этанола в США позволило сократить выбросы на 8 млн т парниковых газов (в СО2 эквиваленте), что примерно равно годовым выхлопам 1,21 млн автомобилей. Не сбрасывается со счетов и тот факт, что ископаемые источники топлива исчерпаемы. Так, по прогнозам специалистов, запасов нефти хватит на 40-60 лет, газа - на 70-90 лет.

Как показала мировая практика использования биоэтанола, при добавлении его в бензин в количестве до 15 % (об/об) качество топлива улучшается (повышается октановое число), уменьшается количество вредных выбросов. При этом не требуется никаких изменений в конструкции двигателей.

Смеси этилового спирта с бензином обозначают как Е-10, Е-15 и т.д., где цифра означает процент добавленного спирта. Е5, Е7, Е10 - смеси с низким содержанием этанола (5, 7 и 10 весовых процентов, соответственно), наиболее распространенные в наши дни. В этих случаях добавка этанола не только экономит бензин путем его замещения, но и позволяет удалить вредную оксигенирирующую добавку МТБЭ.

Е85 - смесь 85 % этанола и 15 % бензина. Стандартное топливо для т. н. "Flex-Fuel" машин, распространенных, в основном в Бразилии и США, и в меньшей степени - в других странах. Изза более низкой энергоплотности продается дешевле, чем бензин.

Е95 - смесь 95 % этанола и 5 % топливной присадки. Компания Scania начала разрабатывать дизельный двигатель для автобуса, работающий на 95 % этаноле в середине 80-х годов. Создана программа испытаний городских автобусов с двигателями, работающими на 95 % этаноле - BEST (BIOETHANOL for Sustainable Transport). См. статью Автобусы Scania.

Е100 - формально 100 % этанол, однако в силу того, что этанол гигроскопичен, получение и использование этанола без остаточной концентрации воды невыгодно. Поэтому в большинстве случаев под Е100 подразумевают стандартную азеотропную смесь этанола (96 % С2Н5ОН и 4 % воды, (по весу); 96,5 % и 3,5 % в объемных процентах). Путем обычной дистилляции невозможно получить более высокую концентрацию этанола.

При изменении конструкции двигателей можно использовать в автомобильном топливе больший процент этанола и даже чистый этанол.

Энергоэффективность этанола.

В декабре 2007 года Университет Северной Дакоты и Центр Автомобильных Исследований Миннесоты (MNCAR) опубликовали результаты исследования энергоэффективности применения биоэтанола в автомобильном транспорте [2]. В исследовании принимали участие как обычные автомобили, так и автомобили с Flex-fuel двигателями. Исследовали смеси от 2 % до 85 % содержания этанола в бензине.

Для обычных автомобилей наиболее оптимальной оказалась смесь Е30. Потребление топлива снизилось на 1 % в сравнении с бензином. Результат получен на автомобилях Toyota Camry и Ford Fusion.

Для flex-fuel автомобилей оптимальной оказалась смесь Е20. Потребление топлива снизилось на 15 % в сравнении с бензином. Результат получен на flex-fuel модели Chevrolet Impala.

В 2005 г. начали появляться исследования, в которых утверждалось, что этанол, производимый из кукурузы, имеет отрицательный энергетический баланс.

В 2006 г. в своем отчете Департамент сельского хозяйства США (USDA) сообщил, что этанол имеет топливный баланс 1,24. То есть из этанола, произведенного из кукурузы, можно получить на 24 % энергии больше, чем было затрачено при производстве этанола.

Существуют различные способы оценки топливного баланса этанола. Но топливный баланс бензина все равно хуже, чем у этанола. Для производства бензина требуется большое количество энергии: для разведки нефти, ее добычи, транспортировки (нужно строить танкеры и трубопроводы), переработки, доставки бензина и т.д. В Бразилии багасса сахарного тростника используется в качестве топлива на электростанциях. Это позволяет увеличить топливный баланс этанола, производимого из сахарного тростника, до 8. биотопливо биоэтанол сырьевой ресурс