152 Инновационные направления производства

Инновационные направления производства сельскохозяйственной
техники на альтернативных источниках энергии.
Зотов И.А.
МГТУ «МАМИ»
Использование альтернативных источников энергии содержит ряд показателей,
способствующих развитию сельского хозяйства России в целом. Биогаз, биоэтанол и
биодизель - три источника биоэнергетики, которые имеют целесообразное применение в
производстве сельскохозяйственной техники. Предполагается, что хозяйство,
использующее биотопливо, сможет самостоятельно выращивать сырье для него,
производить из него топливо и применять его в повседневной деятельности.
Экономичность и экологическое равновесие, достигнутое рациональным путём за счёт
использования внутренних альтернативных энергоресурсов региона, являются критерием
выбора типа топлива применяемого в технике. На первом месте при расчёте
экономических выгод должны выступать территориальные климатические показатели и
принадлежность отраслевых направлений по месту использования техники,
оборудованной под альтернативные источники питания.
Каждая отрасль сельского хозяйства имеет свои сырьевые преимущества по добыче
альтернативного топлива в различных регионах РФ и связана с видом продовольствия,
которыми обеспечивают население. В первую очередь хотелось рассмотреть варианты
добычи альтернативной энергии в растениеводческой отрасли, на примере биоэтанола как
топлива для сельхозмашин.
Производство и применение этанола как топливного средства давно применяется в
Бразилии. Во время нефтяного кризиса 70-х годов этанол полностью вытеснил в этой
стране бензин. В 1984 году 95% новых автомобилей, выпущенных в Бразилии,
использовали его в качестве топлива. Более того, биоэтанол стал важной статьей
бразильского экспорта в Европу, США, Японию и Китай. Мировое производство
биоэтанола в 2005 составило 36,3 млрд литров, из которых 45 % пришлось на Бразилию и
44,7 % — на США. Этанол в Бразилии производится преимущественно из сахарного
тростника, а в США — из кукурузы. Производство этанола из тростника на сегодняшний
день экономически более выгодно, чем из кукурузы. Сырьём для производства биоэтанола
также могут быть различные с/х культуры с большим содержанием крахмала или сахара:
маниок, картофель, сахарная свекла, батат, сорго, ячмень и другие. Этанол можно
производить в больших количествах из целлюлозы. Сырьём могут быть различные отходы
сельского и лесного хозяйства: пшеничная солома, рисовая солома, багасса сахарного
тростника, древесные опилки на данном этапе производство этанола из целлюлозы
экономически не рентабельно. Этанол содержит на 67% больше энергии, чем требуется
для выращивания зерновых и их переработки в этанол. В сравнении с бензином, который
требует больше энергии для своего производства, чем даёт. Очищенный бензин
вырабатывает на 15% меньше энергии, чем требуется для его производства.
Исследователи отмечают, что в сфере производства этанола существенно
увеличилась эффективность выхода энергии за счет высоких урожаев зерновых, развития
технологий, в частности использования молекулярных сит, а также более эффективной
практики ведения сельского хозяйства. Экологическое качество указывает, что биоэтанол
как топливо нейтрален в качестве источника парниковых газов. Он обладает нулевым
балансом диоксида углерода, поскольку при его производстве путём брожения и
последующем сгорании выделяется столько же CO2, сколько до этого было связано из
атмосферы использованными для его производства растениями. В 2006 году применение
этанола в США позволило сократить выбросы около 8 млн тонн парниковых газов (в СО2
эквиваленте), что примерно равно годовым выхлопам 1,21 млн автомобилей. Спирты
152
также является очень важной составляющей при производстве биодизеля, получение
которого было запатентовано еще в 1937 году. Один из преподавателей Брюссельского
университета, Г. Шавань, подал заявку на патент на «переработку растительных масел в
топливо». Процедура переработки заключалась в ряде химических реакций трансэтеризации, в результате которых растительное масло под воздействием этилового либо
метилового спиртов превращалось в горючую смесь, по качествам не уступающую
традиционному дизельному топливу.
Масло растительного и животного происхождения является основным
компонентом для получения биодизельного топлива. Экономические выгодные продукты
растениеводческой отрасли в производстве биодизеля представляют масличные и
эфиромасличные культуры. На территории средний полосы России экономическая выгода
представляется в выращивание рапса, который в год способен давать с одного гектара
земли 1200 литров масло. В России рапс начали возделывать в начале XIX века, главным
образом в Пензенской и Нижегородской губерниях. Растениеводческая отрасль также
может являться отличным кластером в производстве этанола и биодизеля из зерновых
культур за счёт совместимости в продукте веществ необходимых для получения этих двух
видов топлива. Животноводческая и рыбная отрасль сельского хозяйства также являются
неплохим сырьевым поставщиком для производства биодизеля.
Основным продуктом при этом служат жиры животного происхождения. Рыбная
отрасль содержит в себе наиболее экономически выгодный продукт по добычи масла для
производства биодизеля, так как к ней относиться сбор и выращивание водорослей.
Переработка водорослей поставляет 95000 литров масла с одного гектара водной
поверхности. В 2006 году несколько компаний объявили о строительстве заводов по
производству биодизеля из водорослей: Global Green Solutions (Канада) по технологии
компании Valcent Products (США) — мощность производства 4 млн. баррелей бионефти в
год; Bio Fuel Systems (Испания); De Beers Fuel Limited (ЮАР) по технологии Greenfuel
Technologies Corporation (США) — мощность производства 900 млн. галлонов биодизеля в
год (водоросли + подсолнечное масло); Aquaflow Bionomic Corporation (Новая Зеландия)
— мощность производства 1 млн. литров биодизеля в год.
Экологические характеристики могут рассматриваться сопоставлением вредных
выбросов при работе с обычным и биодизельным топливом в таблице.
Рисунок 1
К другим достоинствам биодизеля следует отнести - Хорошие смазочные
характеристики позволяющие увеличить срок службы двигателя. При работе двигателя на
биодизеле одновременно производится смазка его подвижных частей, в результате
которой, как показывают испытания, достигается увеличение срока службы самого
двигателя и топливного насоса в среднем на 60%. Важно отметить, что нет необходимости
модернизировать существующие двигатели внутреннего сгорания. Побочный продукт
153
производства биодизеля является глицерин, имеющий широкое применение в
промышленности. Очищенный глицерин используют для производства технических
моющих средств (например, мыла). После глубокой очистки получают
фармакологический глицерин, тонна которого на рынке стоит свыше одной тысячи евро.
При добавлении фосфорной кислоты к глицерину можно получить фосфорные удобрения.
Применяется глицин и в виде сырья для производства биогаза. История развития добычи
биогаза берёт свой отчёт с 2 т. лет до н.э., а в 1930 году в результате развития
микробиологии, были обнаружены бактерии, участвующие в процессе производства
биогаза. Процесс добычи биогаза происходит путём разложение биомассы под
воздействием трёх видов бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются
продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид — бактерии гидролизные,
второй — кислотообразующие, третий — метанообразующие. В производстве биогаза
участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида. Перечень пригодного
сырья для производства биогаза входят в группу органических отходов: навоз, помет,
зерновая и меласная послеспиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные
осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые
отходы, отходы молокозаводов — соленая и сладкая молочная сыворотка, отходы от
производства соков — жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка,
водоросли, отходы производства крахмала и патоки — мезга и сироп, отходы переработки
картофеля, производства чипсов — очистки, шкурки, гнилые клубни, кофейная пульпа. В
биогазовых расчётах используется понятие сухого вещества (СВ. или английское TS) или
сухого остатка (СО). Вода, содержащаяся в биомассе, не даёт газа. Выход биогаза зависит
от содержания сухого вещества и вида используемого сырья. Из тонны навоза крупного
рогатого скота получается 50—65 м³ биогаза с содержанием метана 60 %. 150—500 м³
биогаза из различных видов растений с содержанием метана до 70%. Максимальное
количество биогаза можно получить из жира 1300 м³ с содержанием метана до 87%.
Производство биогаза позволяет предотвратить выбросы метана в атмосферу. Метан
оказывает влияние на парниковый эффект в 21 раз более сильнее, чем СО2, и находится в
атмосфере 12 лет. Захват метана лучший краткосрочный способ предотвращения
глобального потепления. Переработанный навоз, барда и другие отходы применяются в
качестве удобрения в сельском хозяйстве. Это позволяет снизить применение химических
удобрений, сокращается нагрузка на грунтовые воды. Россия ежегодно накапливает до
300 млн т в сухом эквиваленте органических отходов: 250 млн т в сельскохозяйственном
производстве, 50 млн т в виде бытового мусора. Эти отходы могут быть сырьём для
производства биогаза. Потенциальный объём ежегодно получаемого биогаза может
составить до 90 млрд м³. По экономическим и экологическим показателям производство
биогаза наиболее перспективное направление во всех отраслях сельского хозяйства.
Для развития альтернативной энергетики важным этапом служит переориентация
сельхозмашин на использование биотопливо. Осенью 2008 года для «обкатки» технологии
применения биотоплива было задействовано опытно-производственное хозяйство
«Экспериментальное» в Зерноградском районе. В 2008-2010 годах программа будет
реализовываться через создание пилотных объектов, а в 2011-2012 годах
предусматривается переход к серийному производству оборудования. Увеличение
производства техники на альтернативных источниках питания позволит повысить спрос
на биотопливо, который даст прогрессивный скачок в развитии сельского хозяйства.
Производителям сельскохозяйственной техники следует задуматься о перспективах
выпуска переоборудованных моделей под альтернативные источники энергии, так как
предложение по производству биотоплева с каждым днём растёт.
154