Этанол
11.3.2.1. Производство этанола
Страны, имеющие большие территории и небольшие запасы нефти, мот использовать этанол для восполнения недостатка нефтяного топлива. Кроме того что этанол обладает высокими антидетонаиионными свойствами, он является более эффективным топливом, чем бензин, поскольку для него можно получить большее давление сжатия, чем для бензина (11:1 против 9:1 для бензина). Это частично компенсирует меньшую объемную плотность энергии этанола.
Этанол может быть получен из рада продуктов растительного происхождения: сахара, крахмала и целлюлозы.
Важно помнить о том, что для получения этанола из основного продукта реакции (например, сахарозы) требуется затратить некоторое количество энергии на процесс дистилляции. Для этого нужно использовать дополнительные источники энергии. Если в составе растения имеется большое количество сахара, но недостаточно других энергопродуктов, оно рассматривается как отдельный источник топлива. В этой связи преимущество сахарного тростника заключается в том, что он является источником как сахара (сок тростника), так и топлива из багассы (стебли после отжима).
В настоящее время в Бразилии с 1 га земли в год получают до 75 т нерафинированного сахарного тростника. Поставляемый на фабрики подготовленный к переработке тростник — подсушенный и обрезанный (в английской аббревиатуре burned and cropped, или b&c) — составляет 77 % массы сырого тростника. Причиной уменьшения массы является то, что стебель очищается от листвы (листва обжигается, а золу оставляют на полях в качестве удобрения) и от корней, которые остаются в земле и дают начало побегам нового урожая. Средняя урожайность подготовленного к переработке тростника, таким образом, оказывается на уровне 58 т/га в год1*. С каждой тонны обработанного тростника Ь&с можно получить 740 кг сока (135 кг сахарозы и 605 кг воды) и 260 кг сырого жмыха — багассы (130 кг высушенного жмыха). Поскольку удельная теплота сгорания сахарозы 16,5 МДж/кг, а теплота сгорания жмыха 19,2 МДж/кг, то в результате из 1 т Ь&с тростника можно получить 4,7 ГДж тепловой энергии, из которой 2,2 ГДж относятся к сахарозе и 2,5 ГДж — к жмыху.
Сахарный тростник, собранный с 1 га земли в год, может дать 0,27 ТДж тепловой энергии. Это соответствует 0,86 Вт/м2 плантации. При среднем потоке солнечной радиации 225 Вт/м2 эффективность фотосинтеза сахарного тростника составляет 0,38 %.
й На Гавайях и на континентальной части США плантации сахарного тростника имеют гораздо более высокую урожайность благодаря высоким нормам внесения удобрений. На энергетических плантациях использование удобрений должно быть сведено к минимуму для сокращения энергозатрат.
135 кг сахарозы, полученные из 1 т сахарного тростника Ь&с, можно преобразовать в 70 л этанола с удельной энергией сгорания 1,7 ГДж. Практическая эффективность преобразования сахарозы в этанол 76 % (теоретическая эффективность 97 %).
Таким образом, с 1 га сахарного тростника можно получить 4060 л этанола в год. При этом мы не учитывали затрат энергии на обжиг, сбор, транспортировку и т. д. Нетрудно подсчитать, что интегрально солнечная энергия преобразуется в энергию этанола с эффективностью около 0,13 %. Это гораздо меньше, чем при использовании фотоэлектрических модулей для преобразования солнечного излучения. Тем не менее производство этанола и использование его в качестве топлива являются экономически привлекательными.
Из 130 кг сухого жмыха, которые получены из 1 т тростника, 52 кг могут пойти на дистилляцию этанола, а остальной жмых может использоваться для различных промышленных нужд. Так, его целлюлозу можно использовать в качестве исходного материала для производства бумаги. Из гемицеллюлозы после гидролиза можно получить пятиуглеродные сахара (пентозы), из которых в дальнейшем может быть получен фурфурол (топливо для гоночных болидов). Также фурфурол применяется в нефтяной промышленности для отделения алканов (парафинов) от других углеводородов при производстве смазки и фур-
фуриловой резины, используемой при литье. Лигнин может использоваться для создания некоторых фенольных структур и применяться для коксования в металлургии.
Самый большой этаноловый завод в Бразилии производит 1,2 млн л спирта в день, что является энергетическим эквивалентом 5000 баррелей нефти. Этот завод перерабатывает сахарный тростник, растущий на плантациях общей площадью 110 000 га. Кроме того, завод ежедневно производит 8600 т целлюлозы. 5200 т гемицеллюлозы и 1900 т лигнина и других продуктов переработки тростника.
Промышленное производство этанола начинается с отжима сока и отделения багассы. Это осуществляется либо механическим отжимом, либо экстракцией водой. Сок, разбавленный водой в необходимой для ферментации пропорции, помещается в цистерны, куда вводится культура дрожжей Saccharomyces cerevisae Жидкость поддерживается при температуре 37 °С, и вскоре начинается выделение С02. Процесс продолжается около 36 ч, в результате образуется спиртовая бражка, содержащая около 10 % спирта, которая перемещается в дистиллятор Образующийся одновременно диоксид углерода обычно собирается и в вше сжатого газа поставляется на продажу.
До дистилляции мы имеем смесь этанола и воды, которые нужно разделить Эта смесь при нормальном давлении кипит при температуре 78,2 °С (чистым этанол кипит при температуре 78,5 °С). Дистилляцией концентрацию этанола в водном растворе можно довести лишь до 95,6 % (в дальнейшем вода и спирт возгоняются одновременно). Таким образом, в процессе дистилляции при атмосферном давлении получают так называемый гидратированный спирт, который содержит довольно много воды и который пока нельзя добавлять в бензин для получения газохода[44] [45]’. Тем не менее, как известно, такой спирт прекрасно горит и его можно использовать как топливо, не смешивая ни с чем.
Для обезвоживания спирта гидратированный спирт должен быть подвержен ректификации. Это может быть «вакуумная» дистилляция (при 95 мм рт. ст.) или экстракция воды. Современные методы экстракции характеризуются меньшим потреблением энергии, чем дистилляция. Так, требуется совсем немного энергии для достижения 80 %-ного содержания этанола в спиртовой бражке дистилляцией, однако при дальнейшем процессе потребление энергии резко увеличивается. Поэтому часто выгодно прервать процесс дистилляции, например, при 80 %-ном содержании этанола и далее удалить оставшуюся воду путем экстракции. Существуют твердые абсорбционные материалы под торговой маркой HASP, которые эффективно абсорбируют воду из смеси воды с этанолом и затем регенерируются (высушиваются) при относительно небольших затратах энергии.
Современный бразильский этанольный завод тратит 14 МДж тепловой энергии для дистилляции 1 л этанола. Это составляет около 57 % энергии, которая может быть затем получена из 1 л этанола. Поэтому с целью экономии энергии при дистилляции используется тепло от сжигания части жмыха.
При дистилляции получают два вида продукта: концентрированный этанол и барду, которая содержит те питательные вещества, которые сахарный тростник в процессе роста вынес из почвы. Образование барды на перегонных заводах создает дополнительные проблемы, связанные с ее утилизацией. На каждый литр спирта образуется 12,5 л барды, которая представляет собой токсичный загрязнитель и не может сбрасываться в канализационную сеть. Разработано несколько способов утилизации барды. Среди них использование ее в качестве удобрений, что требует размещения заводов по производству этанола вблизи плантаций сахарного тростника, поскольку барду с низкой концентрацией полезных веществ (до 6 %) экономически невыгодно транспортировать на значительные расстояния.
Этанол можно смешивать с бензином, получая высококачественное топливо. Однако его нельзя смешивать ни с дизельным, ни с моторным маслом. Эти два продукта, так же как и нефть, Бразилия продолжает завозить. Поскольку невозможно получать дизельное топливо и мазут из нефти не вырабатывая одновременно бензин, Бразилия оказывается в необычной ситуации — она может даже экспортировать излишки бензина, которые она дополнительно получает благодаря осуществлению этанольной программы. Однако производство биотоплива может считаться успешным только в том случае, если получаемое горючее будет замешать все поставки на основе нефти. С этих позиций перспективными можно считать газификацию древесины (замена топочного мазута) и использование пальмового масла как заменителя дизельного топлива.