XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Биотопливо как альтернативный энергоресурс будущего

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ключарева В.С. 1

---

1средняя школа номер 82

Новикова В.Н. 1Бирюкова Т.А. 1

---

1Средняя школа №82 г. Ульяновска

Работа в формате PDF

108.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Открытие огромных нефтяных месторождений способствовало применению бензина и дизельного топлива, однако повышение цен на нефть, наряду с растущей обеспокоенностью по поводу выбросов углекислого газа, снова сделали биотопливо популярным.

Цель: популяризация биотоплива как устойчивой альтернативы традиционным ископаемым видам топлива для снижения антропогенной нагрузки на атмосферу и минимизации выбросов парниковых газов

Задачи:

1.Исследовать наиболее эффективные и экологически безопасные технологии производства биотоплива.

2.Проанализировать потенциал сокращения выбросов CO₂ и других вредных веществ при использовании биотоплива на транспорте.

3. Провести социальный опрос среди учеников школы и жителей микрорайона школы.

4. Разработать информационные материалы и провести кампанию по информированию общества о преимуществах и перспективах биотоплива.

Актуальность: актуальность данной темы определяется остротой проблемы загрязнения окружающей среды. Поиск биоразлагаемых видов топлива, одно из решений данной проблемы. Не исключено, что риски перепроизводства традиционной сельхоз продукции и рост мирового спроса на зеленые энергоносители в конечном счете приведут к тому, что в в ближайшей перспективе Россия сможет лидировать на рынке биотоплива. К тому же, биологическое топливо превосходит нефтяное топливо по многим показателям:

1. Показатели экологичности и экономичности

2. Безопасность использования

3. Небольшой объем выбросов углекислого газа

Степень изученности вопроса: в России жидкое биотопливо не получило заметного распространения, однако имеются все условия для выращивания необходимой для его производства биомассы

Методы исследования:

1. Теоретический (анализ и синтез)

2. Эмпирический (опросы, анкетирование)

1. АЛЬТЕРНАТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ – БИОТОПЛИВО

Биотопливо – это топливо из биологического сырья, которое обычно извлекается из переработки биологических отходов. В зависимости от того, в каком агрегатном состоянии находится вещество, различают три основных вида топлива.

1.1 Историческая справка

XIX век ознаменован началом постоянного прогресса. Первоначально, ученые того времени считали, что биотопливо – наиболее перспективный продукт. Первопроходцем в использовании биотоплива для своих изобретений был: Сэмюэл Мори. В 1826 году он изобрел двигатель, работать которого основывалась на скипидаре и спирте. А уже в 1876 году вышел первый четырехтактный ДВС (двигатель внутреннего сгорания), который создал Николаус Август Отто. Этот агрегат мог работать на этаноле.

Через 12 лет в продаже появляется автомобиль этого же изобретателя, но под названием Форд «Модель Т». Этот двигатель мог работать, как на бензине, так и на этаноле, а также на смеси обоих видов топлива. По мнению автора изобретения, фермерам, будет значительно дешевле и удобнее пользоваться техникой, использующей в качестве топлива спирт. Однако, в начале 20 столетия, когда стали обнаруживаться крупные нефтяные месторождения – спрос на биотопливо начал спадать.

1.2 Классификация биотоплива

Биотопливо классифицируют по агрегатному состоянию и поколениям.

По агрегатному состоянию различают

-жидкую биомассу: биодизель, биметиловый эфир, биоэтанол и др. (обычно применяют для двигателей внутреннего сгорания);

-твёрдое биотопливо: дрова, торф, отходы животных.(способно гореть при условии, что топливо состоит из горючего);

-газообразное: биогаз, биометан, биоводород. (газ, получаемый брожением биомассы).

Биотопливо первого поколения производится из традиционных сельскохозяйственных культур с высоким содержанием жиров, крахмала, сахаров. Условная эффективность производства биотоплива из биомассы первого поколения составляет примерно 35–45%.

Биотопливо второго поколения получают из непищевого сырья (отработанные жиры, биомасса деревьев и растений) разными методами. Технологически производство биотоплива второго поколения представляет собой процесс получения топлива посредством переработки целлюлозы и лигнина, содержащихся в древесной или волокнистой биомассе. Условная эффективность производства биотоплива из биомассы второго поколения составляет примерно 50%.

Биотопливо третьего поколения получают из водорослей (не требуют земельных ресурсов, имеют большую концентрацию биомассы и высокую скорость воспроизводства).

Водоросли рассматривают как наиболее перспективное сырьё для производства топлива из возобновляемых источников. Такое вещество получают путем переработки растительного сырья (сахарные тростник и свекла, рапс, кукуруза), такими технологиями, которые за основу берут естественные природные процессы (брожение). Получить его можно из множества растений, от пшеницы и до отходов деревообрабатывающей промышленности. Основное применение такой энергии, это двигатели. 

Жидкое биотопливо можно подразделить на: 

• биологический бутанол; 

• биологический метанол; 

• биологический этанол; 

• биологический дизель; 

• диметиловый эфир. 

Биоэтанол представляет собой привычный этанол, который применяется как биотопливо. Добывается он при помощи переработки растительного сырья. Это сахарный тростник и свекла, а также рапсовый эфир.  Наиболее популярные способы получение данного топлива: спиртовое брожение (микробиологический) и способ гидратации этилена(синтетический). В результате брожения, на выходе получается жидкость, в которой содержится не более 15% этанола.

В масштабах промышленности, этиловый спирт можно получить из сырья, которое содержит целлюлозу, предварительно гидролизированная. Получаемую смесь оставляют бродить. Важной характерной особенностью биоэтанола является баланс топлива. Правильное соотношение выделяемой энергии к затратам энергии, которые необходимы для его производства. Среди недостатков топлива можно выделить тот факт, что при его сгорании, в выхлопных газах моторов можно обнаружить альдегиды. Они являются вредными для живых организмов, и приравниваются к ароматическим углеводородам. 

Разновидностью жидкого биотоплива является биометанол. Его получают на основе древесного спирта, который образуется посредством перегонки древесных отходов и конверсий метана. Получить биомассу можно так же посредством культивирования фитопланктона в водоемах с искусственной средой, которые создаются на побережьях морей. 

В настоящее время данная производственная технология топлива является одной из более перспективных. А связано все с тем, что от остальных она отличается наиболее большим процентом получаемой биомассы (примерно 110 т/га фитопланктона). Также нет высоких требований к той площадке, где оно производится. Данный фактор, а также и то, что чистый спирт обладает недостаточной летучестью, привели к необходимости его смешивания с бензином. Для получения готового топлива, были введены свои стандарты. Так, полученным разработкам, правильным считается соотношение биометанола М85, который содержит 85% метилового спирта и 15% бензина. Когда метанол применяют в виде топлива, следует понимать, что его массовая энергоемкость будет примерно на 50% меньшей, нежели у бензина. Но при этом, теплопроизводительность таких смесей, при их сгорании в двигателе, отличаться будет незначительно.

Качество наполнения цилиндров повышается, за счет чего увеличивается полнота сгорания смесей. Это приводит к увеличению мощности двигателя примерно на 15%. У гоночных автомобилей, двигатели, в основном, работают на этаноле с повышенным октановым числом, по сравнению с бензином. Степень сжатия составляет более 15, при этом, обычный карбюратор ДВС имеет степень сжатия не более 10,1.

2. СЫРЬЕ И ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ БИОТОПЛИВА

Развитие производства и его употребления связано с рядом глобальных причин, таких как цены на минеральное топливо, ограниченность запасов природных ископаемых, отрицательное воздействие на экологию традиционных энергоносителей.

Биотопливо первого поколения производится из традиционных сельскохозяйственных культур с высоким содержанием жиров, крахмала, сахаров.Основной источник сырья второго поколения – растения: водоросли, простые живые организмы, приспособленные к росту и размножению в загрязнённой или солёной воде. Производство биотоплива второго поколения в настоящий момент является очень капиталоёмким процессом.

Биотопливо третьего поколения получают из водорослей (не требуют земельных ресурсов, имеют большую концентрацию биомассы и высокую скорость воспроизводства).Жидкое моторное топливо, получаемое в ходе переработки растительного сырья (кукурузы, рапса, сахарной свёклы, сахарного тростника и др.), отходов деревообработки средствами технологий, в основе которых лежит использование естественных биологических процессов. Основное применение жидкого биотоплива – двигатели.

3. ПРЕИМУЩЕСТВА БИОТОПЛИВА И ЕГО НЕДОСТАТКИ

3.1 Преимущества биотоплива

• Мобильность по сравнению с другими альтернативными источниками энергии

В настоящее время у более «радикальных» альтернативных энерготехнологий, таких как солнечная энергетика и ветроэнергетика есть одна большая проблема - мобильность. Поскольку солнце и ветер не имеют постоянного характера, для обеспечения больших мощностей в таких энерготехнологиях приходится использовать относительно тяжелые аккумуляторные. С другой стороны - биотопливо, его довольно легко транспортировать, оно обладает стабильностью и довольно большой «энергоплотностью», его можно использовать с незначительными модификациями существующих технологий и инфраструктуры.

• Снижение стоимости

В настоящее время на рынке биотопливо стоит столько же, сколько и бензин. Тем не менее в использовании биотоплива больше преимуществ, поскольку это более чистый вид топлива, он производит меньше выбросов при сжигании. Биотопливо можно адаптировать к существующим конструкциям двигателей, которое будет хорошо использоваться в любых условиях.

• Адаптация к двигателям и их эксплуатация

Обладая отличными смазочными характеристиками, высокой температурой воспламенения, биодизель благоприятно действует на срок службы двигателя. Расчеты показали, что ресурс двигателя при использовании этого вида топлива может увеличиться на 60%!

• Возобновляемые источники

Бензин получают из сырой нефти, которая не относится к возобновляемым ресурсам. Хотя современных запасов ископаемого топлива хватит еще на много лет, они в конечном итоге когда-то закончатся. Биотопливо изготавливается из различного сырья, такого как навоз, отходы сельскохозяйственных культур и т.д. Это возобновляемые ресурсы, которые, вероятно, не закончатся в ближайшее время.

• Сокращение выбросов парниковых газов

При сжигании ископаемое топливо производит большое количество углекислого газа, который считается парниковым газом и причиной удержания солнечного тепла на планете. Чтобы уменьшить воздействие парниковых газов, можно использовать биотопливо. Исследования показывают, что биотопливо снижает выбросы парниковых газов до 65 процентов. Биодизель в сравнении с обычным дизельным топливом почти не содержит серы. При попадании в почву или воду он практически полностью разлагается уже через три недели.

• Экономическая безопасность для стран, не обладающих большими запасами топлива

Не каждая страна обладает большими запасами нефти. Импорт нефти оставляет существенную брешь в экономике страны. Если люди начнут склоняться в сторону использования биотоплива, то зависимость от импорта будет снижаться. Благодаря росту производства биотоплива создастся больше рабочих мест, что должно положительно отразиться на экономике страны.

3.2. Проблемы использования биологического топлива

Выделяют ряд проблем, связанных с использованием биотоплива

• Ограничения региональной пригодности

• Продовольственная безопасность

• Стоимость биотоплива

• Ограничение в составе бензина/дизеля

• Проблемы, связанные с выращивание монокультуры

Остановимся более подробно на каждом из данных факторов.

• Ограничения региональной пригодности

Растительное сырье для биотоплива, вероятнее всего, будет выращиваться в определенных регионах. Это связано с рядом причин, главная из которых – это то, что некоторые культуры просто лучше растут в одних местах и хуже в других.

При выборе региона для производства растительного сырья надо учитывать:

-водопользование – чем меньше воды используется для выращивания сельскохозяйственной культуры, тем лучше;

-инвазивность – урожай, который убивает местные растения, может поставить под угрозу биоразнообразие и серьезно повредить экосистему региона;

-удобрения – питательные вещества необходимые для растений. Некоторые растения требуют меньше органических ресурсов, чем другие;

-климат – в некоторых местностях просто невозможно выращивать биотопливные культуры, например, в местности с холодным или засушливым климатом.

• Продовольственная безопасность

Проблема с выращиванием сельскохозяйственных культур для топлива заключается в том, что они займут землю, которую можно было бы использовать для выращивания продуктов питания.

• Стоимость биотоплива

На сегодняшний день литр произведенного в России биоэтанола E85 составит 210 рублей.

• Ограничение в составе бензина/дизеля

В современных автомобилях биоэтанол и биодизель могут применяться лишь в составе обычного бензина/дизеля соответственно. И лишь в небольших количествах, не более 10%. Если превысить этот порог, то безвредное для экологии топливо может спокойно навредить топливной системе автомобиля и его двигателю. Высокая вязкость биодизеля не позволяет использовать его в холодное время, поэтому требуется применять смеси, состоящие на 20% из биодизеля и на 80% из солярки.

• Проблемы, связанные с выращивание монокультуры

Для получения большого количества урожая легче вырастить один вид культуры. Такая практика выращивания одной культуры называется монокультура.

При обращении к генной инженерии, когда изменяется сама культура и делается устойчивой к вредителям, отпадает необходимость использования пестицидов. Отлично! Но проблема состоит в том, что скорее всего модификации культуры не спасут абсолютно от всех вредителей, и через несколько лет производители столкнуться все с той же проблемой истребления урожая.

4. ВОЗДЕЙСТВИЕ ТОПЛИВА НА ЭКОЛОГИЮ

Исследования дымовых уходящих газов топливосжигающих установок показывают, что в их составе основными загрязнителями атмосферного воздуха являются оксиды углерода (до 50%), оксиды серы (до 20 процентов), оксиды азота (до 6-8%), углеводороды (до 5-20%), сажа, оксиды и производные минеральных включений и примесей углеводородного топлива. В свою очередь, выхлопные и отработавшие газы тепловых двигателей выбрасывают в воздушный бассейн более 70 процентов оксидов углерода и углеводородов, около 55 процентов оксидов азота, а также гарь, копоть и т.д.

Наибольший экологический ущерб наносят оксиды азота и углерода, альдегиды, формальдегиды, бензапирен и другие ароматические соединения, которые относятся к отравляющим веществам.

4.1. ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ОТ ИСПОЛЬЗОВАНИЧ БИОТОПЛИВА.

• попадание биодизеля в воду не причиняет урона животному и растительному миру;

• в почве и воде биодизель полностью распадается примерно за 3 недели;

• при сгорании биологического топлива выделяется точно такой же объем углекислого газа, который был потреблен растениями, которые являются сырьем для его производства;

• биодизель почти не содержит серы, в отличии от природного дизельного топлива.

• Биотопливо менее грючий из-за высокого уровня воспламеняемости

4.2. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МИРОВОГО РЫНКА БИОТОПЛИВА.

Движущими факторами для распространения биотоплива являются угрозы, связанные с энергетической безопасностью, изменением климата и экономическим спадом. Распространение производства биотоплива по всему миру нацелено на увеличение доли потребления экологически чистого топлива, особенно на транспорте; снижение зависимости от импортируемой нефти для многих стран; снижение выбросов парниковых газов; развитие экономики.

Биотопливо является альтернативой традиционным видам топлива, получаемым из нефти. Мировыми центрами производства биотоплива в 2024 являются США, Бразилия и Европейский Союз. Самый распространённый вид биотоплива – биоэтанол, его доля составляет 82% всего производимого в мире топлива из биологического сырья. Ведущими его производителями являются США и Бразилия. На 2-м месте находится биодизель.

В Европейском Союзе сосредоточено 49% производства биодизеля. В долгосрочной перспективе постоянно растущий спрос на биотопливо со стороны наземного, воздушного и морского транспорта может сильно изменить сложившуюся ситуацию на мировом рынке энергоносителей. Использование сельскохозяйственного сырья для производства жидкого биотоплива и рост объёмов его производства обусловили спрос на сельскохозяйственную продукцию, что повлияло на цены продовольственных культур, используемых при производстве биотоплива.

Начался быстрый рост производства биотоплива в Азии. По данным на 2021, Китай находится на третьем месте по производству биоэтанола, и ожидается, что это производство будет расти в течение следующих десяти лет более чем на 4% в год.

В Индии производство биоэтанола из мелассы, согласно прогнозам, будет увеличиваться более чем на 7% в год. При этом расширяется производство биодизеля из новых культур, таких как ятрофа.

Темпы роста производства биотоплива намного отстают от темпов роста потребности в них. Происходит это из-за наличия дешёвого сырья и недостаточного финансирования. Массовое коммерческое использование биотоплива будет определяться достижением ценового равновесия с традиционными видами топлива, получаемыми из нефти.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

В ходе проведенного исследования на тему «Биотопливо как альтернативный энергоресурс будущего» была достигнута поставленная цель и решены основные задачи. Мы изучили виды биотоплива, технологии его производства и проанализировали его экологические и экономические преимущества перед традиционными ископаемыми видами топлива.

Положительные перспективы и динамика развития отрасли очевидны. Биотопливо представляет собой возобновляемый источник энергии, что является ключевым фактором в условиях истощения запасов нефти и газа. Его использование позволяет существенно сократить выбросы парниковых газов (CO₂) и вредных веществ (например, сажи) в атмосферу, внося вклад в борьбу с глобальным изменением климата. Динамика мирового рынка показывает стабильный рост производства и потребления биотоплива, что подтверждает его востребованность и перспективность.

Можно с уверенностью утверждать, что будущее за биоэкономикой – моделью хозяйства, основанной на использовании возобновляемого биологического сырья. Биотопливо является одним из ее столпов, преобразуя сельское хозяйство, транспорт и энергетику в более устойчивые и экологичные системы.Мировой опыт внедрения биотоплива является наглядным доказательством его эффективности:

· Бразилия – мировой лидер в использовании биоэтанола из сахарного тростника, где он давно стал массовой альтернативой бензину.

· США активно производят этанол из кукурузы и устанавливают законодательные стандарты на его добавление в бензин.

· Страны Европейского союза (например, Германия, Швеция, Франция) делают значительные шаги в развитии биодизеля из рапса и других культур, поддерживая это законодательными директивами и дотациями.

Ситуация в России с внедрением биотоплива, к сожалению, развита слабо, особенно по сравнению с мировыми лидерами. Несмотря на огромный потенциал (наличие больших площадей сельхозугодий, запасов растительной биомассы и развитой лесной промышленности), его реализация сдерживается рядом факторов:

1. Богатство запасами нефти и газа, что делает традиционную энергетику дешевой и не создает urgentной потребности в переходе на альтернативы.

2. Недостаточная нормативно-правовая база, которая бы стимулировала производство и обязательное применение биодобавок к топливу.

3. Высокая стоимость первоначальных инвестиций в строительство заводов и развитие соответствующих технологий.

Тем не менее, первые шаги уже делаются: существуют отдельные проекты по производству пеллет из отходов древесины (которые экспортируются в Европу), а также небольшие производства биодизеля и биогаза. Таким образом, биотопливо – это не просто альтернатива, а необходимое условие для перехода к устойчивому развитию человечества. Несмотря на существующие препятствия, его роль в мировом энергобалансе будет только возрастать. России важно активнее включаться в этот глобальный тренд, используя свой природный и научный потенциал, чтобы не остаться на периферии формирующейся биоэкономики будущего.

ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИКИ.

1. Биоэнергетика в России: перспективы развития.// Аналитический вестник. Выпуск 12. – Москва, 2018. – с. 15-36.

2. Васильев И. П. Экологически чистые направления получения и использования топлив растительного происхождения в двигателях внутреннего сгорания. – Экотехнологии и ресурсосбережение. – 2022. – №1. - с. 19-25.

3. Ракитова О. С. Производство биотоплива и утилизация отходов// Журнал "Международная биоэнергетика" – 2020. – с. 16-22.

4. Трубецкой К. Н., Лачуга Ю. Ф. БИОТОПЛИВО // Большая российская энциклопедия. Электронная версия (2016); https://bigenc.ru/technology_and_technique/text/3878201 (дата обращения 12.09.2025).

5. Панченко А.В. Биотопливо как альтернативный источник энергии, электронный ресурс https://cyberleninka.ru/article/n/biotoplivo-kak-alternativnyy-istochnik-energii (дата обращения 15.09.2025).

6. Панцхава Е.С. Биоэнергетика - самостоятельная часть современной энергетики//Биоэнергетика. 2023.- №1. - С. 17-25.

7. Салехов М. Микроорганизмы в производство энергии// Энергетика и промышленность России. 2024. -№ 5(81). - С.38.