Юрій НОСЕНКО,
Біобутанол — ще одне біопаливо майбутнього?
Тому в світі дедалі більшу увагу приділяють пошуку шляхів використання як енергоресурсів поновлюваної енергії, накопиченої живою речовиною завдяки фотосинтезу. Вважається, що в найближчій перспективі за рахунок використання продуктів фотосинтезу буде покриватися до 10% всіх енерговитрат.
Нині рекламується як один із прогресивних видів поновлюваного палива біобутанол. Промислове виробництво бутанолу почалося в 1916 році. Тоді використовувався метод ферментації АБЕ (ацетон, бутанол, етанол) із застосуванням бактерії Clostridia acetobutylicum.
Під час I світової війни Англія застосовувала цей метод виробництва ацетону для подальшого отримання кордиту (бездимного пороху). Цей процес використовувався аж до 1920-х років для отримання виключно ацетону. Проте на кожен літр ацетону під час ферментації отримували додатково два літри бутанолу. До 1927 року основним продуктом АБЕ процесу став бутанол, тоді як ацетон став побічним. Під час II світової війни бутанол застосовувався у виробництві синтетичного каучуку.
Сьогодні бутанол використовується перш за все як промисловий розчинник. Світовий ринок цього продукту оцінюється у 350 млн галонів на рік, з яких 220 млн галонів припадає на частку США. На сьогодні бутанол добувають із нафти гідролізом галогеналканів або гідролізом і гідратацією алкенів.
Компанії Dupont і BP об’єднали свої зусилля для удосконалення технології виробництва біобутанолу, які спрямовані на збільшення економічної ефективності промислового виробництва бутанолу до еквівалентної з етанольною.
Довідково
Бутиловий спирт (бутанол) C4H9OH — безбарвна рідина з характерним запахом сивушної олії. Відомі нормальний первинний бутиловий спирт СН3(СН2)3ОН, нормальний вторинний бутиловий спирт СН3СН2СН(OH)СН3, ізобутиловий спирт (СН3)2СНСН2ОН, триметилкарбінол (СН3)3СОН. Отруйний.
Крім бутанолу, родина спиртів включає метанол (1 атом вуглецю — CH3OH), етанол (2 атоми вуглецю — C2H5OH) і пропанол (3 атоми вуглецю — C3H7OH). Під терміном «біобутанол» розуміють бутиловий спирт (бутанол), отриманий із рослинної сировини.
Застосування бутанолу
Бутанол застосовують як розчинник у лакофарбовій промисловості, виробництві смол і пластифікаторів, синтезі багатьох органічних сполук. Може застосовуватися як компонент до традиційних палив або як самостійне паливо для транспортних засобів.
Сировина для виробництва бутанолу
Бутиловий спирт (бутанол) як і етиловий (етанол) може бути отриманий:
- шляхом переробки цукру або крохмалю с.-г. рослинних культур (біобутанол I покоління);
- шляхом переробки целюлози рослин (біобутанол II покоління);
- шляхом синтезу хімічної сировини (бутанол).
Бутанол, вироблений з біомаси, прийнято називати біобутанолом, хоча він має абсолютно ті ж характеристики, що і бутанол, отриманий з нафти (хімічної сировини). Сировиною для виробництва можуть бути цукрова тростина, буряки, кукурудза, пшениця, маніока, а в майбутньому і целюлоза.
Бутанол як моторне паливо
Бутанол може замінювати бензин як паливо навіть більшою мірою, ніж етанол, завдяки своїм фізичним властивостям, економності, безпеці, а також через те, що його використання не вимагає переробок двигуна автомобіля.
Основною причиною, через яку до недавнього часу ніхто не знав про бутанол як про альтернативне паливо, є те, що виробництво цього продукту ніколи не вважалося економічно доцільним. Як було сказано вище, цей продукт використовується в основному як промисловий розчинник, ціна якого перевищує приблизно втричі ціну газу. Традиційний процес ферментації дає із бушеля зерна (35 фунтів цукру) тільки 1,3 галони бутанолу, 0,7 галони ацетону, 0,33 галони етанолу і 0,62 фунти водню. Таке виробництво бутанолу не може конкурувати з технологією виробництва етанолу, яка дає 2,85 галони продукту на бушель. Прогрес у галузі біотехнології дозволив перетворити кукурудзу й іншу біомасу на достатньо економічне джерело біобутанолу, проте початок промислового виробництва ув’язується з вирішенням низки проблем.
У порівнянні з етанолом, бутанол може бути змішаний у вищих пропорціях з бензином і використовуватися в автомобілях без модифікації двигунів.
У зв’язку з отриманням нових високоекономічних технологій виробництва біобутанолу, наразі отримуваний із зерна бутанол привертає все більше уваги фахівців для застосування його як паливо. І не виключено, що в найближчих 10–15 років етанол втратить пальму першості.
Основні переваги бутанолу
в порівнянні з етанолом
1. Бутанол містить на 25% більше енергії, ніж етанол: 110 тис. BTU на галон бутанолу проти 84 тис. BTU на галон етанолу. Бензин же містить близько 115 тис. BTU на галон.
2. Бутанол безпечніший у використанні, оскільки ушестеро менше випаровується, ніж етанол і в 13,5 разів менш летючий, ніж бензин. Пружність пари бутанолу по Рейду становить 0,33 фунти/кв. дюйм, у бензину це 4,5 фунти/кв. дюйм, у етанолу — 2,0 фунти/ кв. дюйм. Це робить бутанол безпечнішим при використанні як оксигенату і не вимагає особливих змін пропорцій суміші при застосуванні зимою і влітку. Зараз він використовується як оксигенат у штатах Арізона, Каліфорнія тощо.
3. Бутанол — набагато менш агресивна речовина, ніж етанол, тому може транспортуватися по існуючих паливних трубопроводах, тоді як етанол повинен транспортуватися залізничним або водним транспортом.
4. Завдяки низькому тиску пари біобутанол легко змішується зі звичайним бензином.
5. Бутанол може повністю замінювати бензин, тоді як етанол здатен використовуватися тільки як добавка до бензину з максимальним вмістом у суміші не більше 85% і лише після істотних переробок двигуна. Наразі біобутанол може додаватися у бензин в концентрації до 10% в Європі і до 11,5% в США без переробки двигуна. В майбутньому є потенціал для збільшення максимально допустимого використання біобутанолу в бензині до 16% за об’ємом.
6. При горінні бутанолу не утворюється оксидів сірки або азоту, що дає істотну додаткову вигоду з погляду екології;(The Chemical Journal, 2008).
Окрім цього:
- наявні потужності з виробництва етанолу можуть бути рентабельно модернізовані під виробництво біобутанолу;
- існує синергія тиску пари біобутанолу і бензину, котрий містить етанол, що полегшує додавання етанолу.
У присутності води суміш, що містить біобутанол, не розшаровується, на відміну від суміші «етанол-бензин», що дозволяє використовувати наявну інфраструктуру дистрибуції без модифікації установок для змішування, сховищ або заправок.
Таким чином, біобутанол більш економний, ніж суміш етанолу з бензином, він покращує паливну ефективність автомобіля і збільшує пробіг на одиницю палива, що витрачається. Біобутанол отримують з тієї ж самої сировини — кукурудзи, цукрових буряків, сорго, маніоки, цукрового очерету, кукурудзяних стебел та іншої біомаси, що й етанол, але може замінювати бензин у рівному об’ємі.
Розрахунки компаній DuPont і BP по емісійних характеристиках у рамках програм GHG Well-to-Wheel/Life Cycle Analysis говорять про те, що при використанні однакової сировини біобутанол дає зменшення емісії, щонайменше, на тому ж рівні, що і етанол. Низький тиск пари біобутанолу (нижче, ніж у бензину) означає те, що характеристики тиску пари не повинні приводити до появи високих рівнів емісії летючих органічних сполук (ЛОС), тобто немає необхідності ослабляти тиск пари.
Завдяки полегшенню додавання біопалива до бензину: безпосередньо біобутанолу, чи побічно через синергію біобутанолу й етанолу, використання біобутанолу може призвести до розширення ринку біопалив, а також ринків відповідних сільськогосподарських продуктів.
Перспективність використання
етанолу і бутанолу як біопалива
До 2030 р. прогнозоване споживання енергії у світі виросте на 60%. Очевидно, що при цьому буде потрібне збільшення виробництва різних видів енергоносіїв і їх джерел. Важлива особливість вирішення цієї проблеми в XXI ст. полягає у тому, що виробництво енергії повинне бути екологічно чистим. Абсолютно ясно, що вищесказане зажадає збільшення внеску біомаси в загальний енергобаланс.
Щоб оцінити потенційні можливості України як вагомого учасника світового ринку біопалива, необхідно уявити собі сучасний стан цього ринку.
Внесок біомаси в світове
виробництво енергії
Поновлювані джерела енергії (енергія вітру, сонця, гідро- і термальна енергії, біомаса тощо) (ПДЕ) покривають 6% енергопопиту в Європейському союзі (25 країн) (табл. 1).
Таблиця 1. Динаміка попиту на первинну енергію у ЄС-25
Таблиця 2 ілюструє прогноз темпів приросту внеску поновлюваних джерел енергії (ПДЕ) у світовий енергетичний баланс до 2040 р. Швидкість приросту біомаси в світовий енергетичний баланс істотно менше, ніж у інших видів поновлюваних джерел. Проте в 2001 році, при загальному виробництві енергії в світі 10 млрд т нафтового еквіваленту (т н. е.), внесок біомаси сягав1,1х1,2 млрд т н. е., а сумарний внесок усіх ПДЕ — 1,36 млрд т н. е.
Таблиця 2. Швидкість приросту внеску ПДЕ в світовий енергетичний баланс (у %)
За прогнозами, до 2040 р. загальне споживання енергії у світі досягне 13,5 млрд т н. е. (100%), внесок усіх ПДЕ — 6,44 млрд т н. е. (47,7%), внесок біомаси — 3,21 млрд т н. е. (23,8%).
Перспективи щорічного споживання біопалива в Європі в 2020 р., за оцінками експертів, становитимуть 37 млн т н. е.
Світовий ринок бутанолу
Споживання бутанолу в світі в 2007 р. становило 2,5 млн т, з них 46% припало на країни Азії, 24% — на Америку, 20% — на Європу. Зараз споживання зросло до 4,0 млн т.
Найбільшим споживачем бутанолу в світі є країни Азії, зокрема Китай, де бутанол є важливою органічною сировиною, що використовується при виробництві пластмас, фарби, у пресі, фармакології, а також для виробництва бутил-акрилату і бутил-ацетату. Особливо перспективне виробництво з бутанолу пластифікаторів зі спеціальними властивостями і високою доданою вартістю, які зараз мають високий попит.
В цілому, в Європі і США виробничі потужності і попит збалансовані, будівництво значних за обсягом нових потужностей не планується. У середньостроковій перспективі очікується збільшення попиту на бутанол і, отже, зростання обсягів його імпорту.
Виробничих потужностей країн Азії не вистачає для задоволення внутрішньої потреби в бутанолі, тому значні обсяги (Азія до 450, Китай –250 тис. т у рік) імпортуються. Наразі в Азії ведеться активне будівництво заводів з виробництва бутанолу, але в коротко- і середньостроковій перспективі внутрішнє виробництво не зможе задовольнити весь попит, значні обсяги бутилових спиртів як і раніше імпортуватимуться.
