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.