Conference PaperPDF Available

Промишлени биорафинерии. Класификация и възможности за тяхното локализиране в България

Abstract

Биорафинериите са бъдещия заместител на традиционните нефтохимически предприятия в енергийния сектор. Интензивното развитие на биотехнологиите влияе постоянно върху концепциите и критериите за систематизиране на различните типове биорафинерийни системи. Базирайки се на изследваните до момента класификации, в доклада е представено систематизиране според въздействието на основните технологични критерии (платформи, суровини, продукция, процеси) върху обемно-планировъчното им решение. От направени изследвания на предприятия от България и чужбина е представен анализ за възможностите за локализиране на перспективни типове биорафинерийни системи в България според наличните суровини.
УНИВЕРСИТЕТ ПО АРХИТЕКТУРА, СТРОИТЕЛСТВО И ГЕОДЕЗИЯ
Международна юбилейна научно-приложна конференция УАСГ2012
15-17 НОЕМВРИ 2012
15-17 NOVEMBER 2012
International Jubilee Conference UACEG2012: Science & Practice
UNIVERSITY OF ARCHITECTURE, CIVIL ENGINEERING AND GEODESY
ПРОМИШЛЕНИ БИОРАФИНЕРИИ. КЛАСИФИКАЦИЯ И
ВЪЗМОЖНОСТИ ЗА ТЯХНОТО ЛОКАЛИЗИРАНЕ В БЪЛГАРИЯ
Стефан В. Аспарухов
1
, Цветан М. Симеонов
2
Ключови думи: биорафинерия, биомаса, биогорива, биоенергия
Научна област: архитектура на промишлени сгради и съоръжения
РЕЗЮМЕ
Биорафинериите са бъдещия заместител на традиционните нефтохимически
предприятия в енергийния сектор. Интензивното развитие на биотехнологиите влияе
постоянно върху концепциите и критериите за систематизиране на различните типове
биорафинерийни системи.
Базирайки се на изследваните до момента класификации, в доклада е
представено систематизиране според въздействието на основните технологични
критерии (платформи, суровини, продукция, процеси) върху обемно-планировъчното
им решение.
От направени изследвания на предприятия от България и чужбина е представен
анализ за възможностите за локализиране на перспективни типове биорафинерийни
системи в България според наличните суровини.
1. Въведение
Бързото нарастване на популацията на Земята и ограниченото количество на
енергийните ресурси налага делът на възобновяемата енергия да се повиши във всички
сектори (производство на електирческа и топлинна енергия, транспорт и химическа
индустрия) и в същото време да се осигури устойчиво и достъпно производство на
биомаса като хранителна суровина за човечеството и животновъдството.
Електрическата и топлинната енергия могат да се осигурят от различни възобновяеми
източници като вятър, вода, директна слънчева радиация, биомаса и др., от които
единствено биомасата представлява възобновяем източник на въглерод [6].
1
Стефан Валтеров Аспарухов, архитект, докторант в УАСГ; гр. София, бул. “Христо
Смирненски” 1, каб. 719; e-mail: asparuhov_stefan@abv.bg
2
Цветан Михайлов Симеонов, доктор, архитект, доцент в УАСГ; гр. София, бул.
“Христо Смирненски” 1, каб. 719; e-mail: simeonov_zm@mail.bg
Замяната на въглерода, образуван от употребата на изкопаемите горива с
възобновяем въглерод от биомасата е основателна предпоставка за развитието на
предприятия за биорафиниране, в които транспортните горива, биоенергията,
биохимикалите, биоматериалите, храните и фуражите да бъдат произвеждани по
ефикасен и екологичен начин.
2. Същност на биорафинерията
Терминът бирафинерия се среща за пръв път в литературата в началото на 90-те
години на XX век. Тогава започва производството на нехранителни продукти от
биомаса. Това насърчава научно-изследователската дейност в сектора на
биопроизводството и в последствие привлича вниманието на много компании и
политически среди по целия Свят.
Обстойно определение за биорафинерията е изведено от Американската
национална лаборатория за възобновяема енергия (NREL), според която
биорафинерията е промишлено предприятие, съставено от технологично оборудване
и процеси за преобразуване на биомаса в горива, енергия и химически продукти.
Биорафинерията е аналог на нефтохимическата рафинерия, в която се произвеждат
многоборйни крайни продукти и горива от петрол [8].
3. Класификация на биорафинериините системи
В рамките на Задача 42 на Международната агенция по енергетика се правят
проучвания на много системи за биорафиниране, от които едни са в условия на
свободна конкуренция, а други са все още в процес на разработване. Бройката на
различните типове биорафинерии постоянно нараства, а технологичните процеси се
усложняват, което е сериозна пречка за извеждане на стандартна класификация.
В практиката се срещат различни видове биорафинерии като лигнино-
целулозна, зърнена, зелена, двуплатформена, традиционна, термохимическа, морска,
биорафинерия при течна фаза на катализация и горска биорафинерия. В теоретичен
аспект са известни два опита за систематизиране на биорафинериите [7,10]. Тези
класификации са широки и общи. Те дават малко информация за специфичните
характеристики на производството.
Това налага извеждане на четири основни групи от критерии за
систематизиране на биорафинериите, подредени в низходящ ред според тяхната
значимост [6]:
Технологична платформа
Готови продукти
Суровини
Технологични процеси
3.1. Технологична платформа
Платформата е посредникът при преобразуването на суровините в готови
продукти. Концепцията на платформата е подобна на тази, използвана в
нефтохимическата промишленост. Най-важните платформи до момента са
платформата на биогаз, получен от безкислородно разлагане; платформата на
сингаз, получен от газификация; платформата на водород, получен от реакция за
преобразуване на водата в газ, преобразуване на пара, водна електролиза и
ферментация; платформата на C6 захари, получени от хидрозлиза на захароза,
скорбяла, целулоза и полуцелулоза; платформата на C5 захари, получени от
хидролиза на полуцелулоза и други странични процеси за производство на храни и
силажи; платформата на лигнин , получен от преобразуването на лигноцелулозната
биомаса; платформата на пиролизна течност, получена при пиролиза;
платформата на мазнини, получени от маслодайни култури, водорасли или остатъци
и отпадъци, съдържащи предимно мазнини; платформата на органични сокове,
получени при пресоването на мокра биомаса (например трева); платформата на
електрическа и топлинна енергия, която може да се използва за вътрешни нужди или
да се продава на националната електоразпределителна мрежа.
3.2. Готови продукти
Биорафинериите произвеждат енергийни и неенергийни продукти. Според тази
група от критерии предприятията могат да се обединят в две основни категории.
Енергийни биорафинерийни системи са тези, в които биомасата се преобразува
във вторични енергийни носители (биогорива за транспорта, електрическа и/или
топлинна енергия). Копродуктите (например фуражи) се продават или се преобразуват
в други биобазирани продукти с висока добавена стойност. Освен електрическата и
топлинната енергия енергийни продукти от най-голямо значение за следващото
десетилетие са транспортните биогорива - биоетанол, биодизел, синтетични биогорива
(например Фишер-Тропс гориво) и биометан.
Материални биорафинерийни систеим са тези, в които първоначално се
произвеждат биобазирани продукти (биоматериали, лубриканти, химикали, храни,
фружажи и др.) и остатъчни материали, които в последствие могат да бъдат
преобразувани в електрическа и топлинна енергия. Към групата на материалните
продукти се причисляват храни, фуражи, торове, биоводород, глицерин, полимери и
смоли, биоматериали и чисти химикали, използвани в хранителната, химическата и
фармацефтичната индустрия.
3.3. Суровини
Суровината е възобновяем материал (биомаса), който се преобразува от
биорафинерията в готови продукти за пазара. Суровините могат да се разделят като
първични, вторични и третични [11]. Първичните са добитите директно от
земеделските или горските земи. Вторичните са остатъци от земеделието (слама или
остатъци от дървопреработвателната промишленост). Третичните суровини
представляват градски отпадъци и остатъци като треви и листа, отпадъчни води,
твърди канализационни утайки и др.
Днес възобновяемите суровини за биорафинериите се осигуряват от четири
големи сектора: земеделски (зърнени култури и остатъци от тях), горски (дървесина,
кори, бързорастящи тополи, остатъци от сеч), промишлен (остатъци и отпадъци от
производството) и органични отпадъци от градската дейност и аквакултурен
(водорасли и моркса трева).
3.3.1. Суровини от годишната земеделска реколта
Към тази подгупа се причисляват захарните култури (захарна тръстика, захарно
цвекло), културите, съдържащи скорбяла (жито, царевица, сладко сорго),
лигноцелулозните култури (дървесина, бързорастящи тополи, стрелковидна трева и
слонска трева), маслодайните култури (рапица, соя, палмово масло, джатрофа),
тревите (зелени растения, силажи, издънки, кълнове) и морската биомаса (микро и
макро водорасли, морска трева).
3.3.2. Остатъци и отпадъци
Към подгрупата на остатъците и отпадъците спадат съдържащите мазнини
(животински мазнини от хранително-вкусовата промишленост, остатъчни мазнини от
ресторантите, домакинствата и др.), съдържащите лигноцелулоза (остатъци от
земеделието, слама и др.) и други суровини като канализационни утайки, сепарирани
градски отпадъци, диви плодове и др.
3.4. Технологични процеси
Чрез технологичните процеси суровините се преобразуват в крайни продукти.
Това се осъществява посредством деполимеризиране и премахване на кислорода в
компонентите на биомасата. Премахването на кислорода е от особено значение за
производството на транспортни горива [9].
В биорафинерийните системи технологичните процеси се разделят в четири
подгрупи: механични/физически (пресоване, предварителни подготовки, смилане,
сепарация, дестилация), биохимични (безкислородно разграждане, кислородна и
безкислородна ферментация, ензимна конверсия), химични (хидролиза,
трансестерификация, хидрогениране, окисляване, преобразуване в пулп),
термохимични (пиролиза, газификация, хидротермално преобразуване, изгаряне).
Тези процеси се нуждаят от спомагателна енергия и спомагателни материали. В
дългосрочен план целта е да се минимизира тяхното количество, както и да бъдат
заменени с ВЕИ.
Представените групи от критерии за класифициране на биорафинериите имат
различна степен на влияние върху архитектурата като цяло. От направени изледвания
на повече от 20 биорафинерии в България и чужбина изведохме следните релации.
Таблица 1. Влияние на четирикритериалния подход върху архитектурното решение
Локализа-
ция
Генерален
план
Сгради
Съоръже-
ния
Работна
среда
Платформа
P
P
P
S
W
Продукция
P
P
W
S
W
Суровини
S
W
W
S
P
Процеси
W
S
S
P
S
S - силно влияние; P - частично влияние; W - слабо влияние
4. Архитектурно-градоустройствени проблеми
Според жизненият цикъл на проектите за изграждане на биорафинерии
съществуват три подхода. Първият подход е демо проект, който има предимно
научно-изследователска ориентация. Чрез неговата реализация се внедряват нови
технологии, а произведените количества биопродукти са огранчени (от 0,2 т/год до
4000 т/г). Вторият подход е пилотния проект, който е скъпа инвестиция и в повечето
случаи се реализира основно чрез публични средства. Целта на пилотната
биорафинерия е да се докаже социално-икономическата и екологичната
целесъобразност на предприятието в краткосрочен и средносрочен план. Когато това е
налице се предприема изграждане на т.нар. комерсиална биорафинерия, която работи в
условията на свободна конкуренция и произвежда биопродукти в промишлени
количества (от 30 хил. т/год. до над 800 хил. т/год.).
В направен анализ на 28 биорафинерии (България-3, Великобритания-2,
Германия–1, Дания-19, Холандия–2, Швеция–1) се потвърди, че локализирането на
биорафинериите се реализира в индустриалните зони на градовете и по тяхната
периферия или върху земеделски части извън урбанизираните територии. Допустимо
е демо и пилотните проектите за малки рафинерии да се разполагат във
високотехнологични паркове, университетски комплекси и градски части със смесени
функции. Основно изискване за локализирането е непосредствена близост на добре
развита транспортна инфраструктура.
Според инвестиционните намерения и ресурсната осигуреност биорафинериите
са стартиращи и развиващи се. Стартиращите рафинерии се изграждат върху
свободни обособени за целта имоти. При тях проектантите имат „сбобода” за
композиционни решения с висока архитектурна стойност. За разлика от тях
развиващите се биорафинерии са подобект на същестуващо предприятие, чрез който
дружеството-майка диверсифицира продуктовата си гама и/или „затваря” цикълът на
производство. Предвид наличието на съществуващи сгради и съоръжения в комплекса,
както и ограниченията на технологичните изисквания овладяването на обемно-
планировъчното решение се явява сложна проектантска задача. Много често тези
развиващите се биорафинерии са неубедително композирани спрямо околната среда.
Сред проучените предприятия площта на най-малките е от 4 до 5 дка, а на най-
големите над 160 дка. Направеният до момента регресионен анализ показва, че
средната плътност на застрояване е 17-19%. Средната плътност на усвояване на имота
е 50-60%, а плътността на озеленяване 35-50% (1/4 от озеленената площ е залесена с
висока растителност).
Работният процес в биорафинериите е напълно автоматизиран. Това предполага
редуциран брой на работната ръка. Производственият персонал работи в трисменен
режим, а отношение мъже : жени варира в порядъка от 3:1 до 10:1.
5. Биорафинериите в България
5.1. Опитът до момента
Според регионалното зониране на България на ниво NUTS 2 и състоянието на
земеделския сектор на страната през последните две години може да се обобщи, че
трите северни региона са основни производители на култури, съдържащи скорбяла
(царевица и пшеница). Най-много маслодайни култури са добити в северен-централен
и североизточен регион. Именно там са разположени рафинериите за производство на
транспортни биогорива. Функциониращи мощности ъм 2012г.) за производство на
биодизел и глицерин от маслодайни култури са изградени в с. Козаревец (Горна
Оряховица) и гр. Сливо Поле (Русе). Рафинерията за биодизел в гр. Провадия е
замразена. Най-голямото предприятие на Балканския полуостров за производство на
биоетанол (развиваща се биорафинереия) е разположено на територията на Захарни
заводи в гр. Горна Оряховица. Нова (стартираща) биорафинерия за производство на
етнол и фуражи е изградена в с. Горна малина – Софийска област.
5.2. Перспективи
В момента около 116 GWh електроенергия се произвеждат от черна луга в
заводите за целулоза и хартия. На практика единствената възможност за значимо
нарастване на дела на електроенергията, произведена от ВЕИ в брутното вътрешно
потребление на електроенергия е мащабното използване на биомасата във всичките й
форми в мощности за комбинирано производство на електроенергия и топлинна
енергия.
Възможност за изграждане на лигноцелулозна биорафинерия за производство
на биоетанол, топлинна и електрическа енергия съществува в Горна Оряховица,
Казанлък, Варна, Разлог, Троян, Пловдив и Силистра, където са разположени най-
големите дървопреработвателни предприятия [5].
Рафинерии на биогаз платформа могат да бъдат изградени в южен-централен и
югоизточен регион, където е концентриран около 1/3 от едрия рогат добитък в
България, както и северен-централен и североизточен - 1/2 от отглежданите свине в
България [4]. Торът от тези ферми, комбиниран с остатъци от земеделието е
подходяща суровина за производство на биогаз и енергия. Югозападният регион е с
потенциал за производство на биогаз от твърди битови отпадъци и отпадъчни води [3].
Потенциал за локализиране на т.нар. „зелени биорафинерии“, използващи като
суровина треви има в Хасковска и Видинска област, в които необработваемите
земеделски площи представляват 1/5 от всички необработваеми площи в България [4].
Най-много отпадъци от хранително-вкусовата и винарската промишленост се
генерират в южен-централен и югоизточен регион, което е предпоставка за
изграждане на рафинерии в близост до тези предприятия или големите тържища на
плодове и зеленчуци.
Ако през 2015 година България достигне нивото на производство на
електроенергия от биомаса на ЕС от 2003 година, тя ще произвежда електроенергия,
както следва - 50 ktoe от дървесина, 10 ktoe от черна луга, 7 ktoe от сметищен газ и 6
ktoe от слама (ниво на Дания), или общо 73 ktoe (847 GWh) [1].
Фиг. 1. Потенциал за локализация на биорафинерии според наличната суровина
6. Заключение
Енергийното и матриално производство от биомаса е оптимално, когато
суровините се използват чрез подходът на биорафинерията, където се прилагат
множество технологични процеси, за да бъдат преобразувани възможно повече видове
суровини във възможно повече видове крайни продукти.
Архитектурният потенциал на биорафинериите е заключен в неговите
специфични форми и обеми на технологичните съоръжения, чието композиране и
интегриране в урбанизираната среда и ландшафта е следствие на отговорно
отношение и качествена колаборация между заинтересованите страни възложители,
архитекти, технолози, изпълнители.
Внедряването на биорафинериите е част от пътят на България към национална
енергийна независимост в дългосрочен план. В контекста на устойчивото развитие и
обвързаността на биоенергийния сектор с останалите сектори на икономиката е
наложително държавните институции да предложат конкретни политики, стратегии и
гаранции за възможностите при преобразуване на биомасата в полезни продукти.
ЛИТЕРАТУРА
1. Агенция по енергийна ефективност, „Национална дългосрочна програма за
насърчаване използването на възобновяемите енергийни източници 2005-2015г.”,
Министерство на икономиката и енергетиката, 2005
2. Атанасова Д., „Окончателни резултати за заетостта и използването на
територията на България през 2010г. Резултати и анализи.“, отдел „Агростатистика“
при МЗХ, 2010
3. Димитрова Д., И. Черийска, К. Георгиев, С. Маринова, Н. Колев, „Потенциал
за производство на биогаз в България”, BiG>East, “Енергопроект” АД и Институт по
почвознание “Н. Пушкаров”, 2009
4. Министерство на земеделието и храните „Годишен доклад за състоянието и
развитието на земеделието (Аграрен доклад 2011)“, 2011
5. BSREC “Accelerated Penetration of Small-Scale Biomass and Solar Technologies
(ACESS), Deliverable No: D13, Maps and databases on the biomass potential, 2006-2008
6. Cherubini F., G. Jungmeier, M. Wellisch, T. Willke, I. Skiadas, R.V. Ree, E. Jong,
“Toward a common classification approach for biorefinery systems”, Society of Chemical
Industry and John Wiley & Sons, Ltd, 2009
7. Kamm B., М. Kamm, Principles of biorefineries”, Appl Microbiol Biotechnol
64:137145, 2005
8. Kamm B., P. Gruber, M. Kamm, “Biorefineries - Industrial Processes and
Products”, WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, 2006
9. Lange J.P., “Lignocellulose conversion: an introduction to chemistry, process and
economics”, Biofuels, Bioprod Bioref, 2007
10. Ree van R., B. Annevelink, “Status Report Biorefinery 2007”, Report 847,
SenterNovem, Wageningen, The Netherlands, 2007
11. Speight J.G., “Synthetic Fuels Handbook Properties, processes and
performances”, McGraw-Hill, 2008
CLASSIFICATION OF THE INDUSTRIAL BIOREFINERIES.
LOCALIZATION IN BULGARIAN REGIONS.
Stefan V. Asparuhov
1
, Tsvetan M. Simeonov
2
Keywords: biorefinery, biomass, biofuel, bioenergy
Research area: Architecture of industrial buildings
ABSTRACT
In the mid-term future the industrial biorefineries will substitute the traditional
petrochemical refineries. The intensive development of biotechnologies affects the concepts
and criteria for logical systematization of the different types of biorefining systems in an
architectural context.
The article presents the summarized up-to-date classifications for biorefining systems
and the impact of the major technological criteria on the architectural practices.
The case study reviews examples in Bulgaria and abroad. The main task is to be
specified the optimal localization of the promising types of biorefineries in the Bulgarian
regions depending on the available raw materials.
1
Stefan Valterov Asparuhov, architect, PhD student in UACEG; Bulgaria, Sofia 1046, 1
“Hristo Smirnenski” blvd., office 719; e-mail: asparuhov_stefan@abv.bg
2
Tsvetan Mihaylov Simeonov, PhD architect, Assoc. Prof. in UACEG; Bulgaria, Sofia 1046, 1
“Hristo Smirnenski” blvd., office 719; e-mail: simeonov_zm@mail.bg
ResearchGate has not been able to resolve any citations for this publication.
Article
This paper deals with a biorefinery classification approach developed within International Energy Agency (IEA) Bioenergy Task 42. Since production of transportation biofuels is seen as the driving force for future biorefinery developments, a selection of the most interesting transportation biofuels until 2020 is based on their characteristics to be mixed with gasoline, diesel and natural gas, reflecting the main advantage of using the already-existing infrastructure for easier market introduction.This classification approach relies on four main features: (1) platforms; (2) products; (3) feedstock; and (4) processes. The platforms are the most important feature in this classification approach: they are key intermediates between raw materials and final products, and can be used to link different biorefinery concepts. The adequate combination of these four features represents each individual biorefinery system. The combination of individual biorefinery systems, linked through their platforms, products or feedstocks, provides an overview of the most promising biorefinery systems in a classification network. According to the proposed approach, a biorefinery is described by a standard format as ‘platform(s) – products – and feedstock(s)’. Processes can be added to the description, if further specification is required. Selected examples of biorefinery classification are provided; for example, (1) one platform (C6 sugars) biorefinery for bioethanol and animal feed from starch crops (corn); and (2) four platforms (lignin/syngas, C5/C6 sugars) biorefinery for synthetic liquid biofuels (Fischer-Tropsch diesel), bioethanol and animal feed from lignocellulosic crops (switchgrass).This classification approach is flexible as new subgroups can be added according to future developments in the biorefinery area. © 2009 Society of Chemical Industry and John Wiley & Sons, Ltd
Article
Sustainable economic growth requires safe, sustainable resources for industrial production. For the future re-arrangement of a substantial economy to biological raw materials, completely new approaches in research and development, production and economy are necessary. Biorefineries combine the necessary technologies between biological raw materials and industrial intermediates and final products. The principal goal in the development of biorefineries is defined by the following: (biomass) feedstock-mix + process-mix --> product-mix. Here, particularly the combination between biotechnological and chemical conversion of substances will play an important role. Currently the "whole-crop biorefinery", "green biorefinery" and "lignocellulose-feedstock biorefinery" systems are favored in research and development.
Окончателни резултати за заетостта и използването на територията на България през 2010г. Резултати и анализи
  • Д Атанасова
Атанасова Д., "Окончателни резултати за заетостта и използването на територията на България през 2010г. Резултати и анализи.", отдел "Агростатистика" при МЗХ, 2010
Министерство на земеделието и храните "Годишен доклад за състоянието и развитието на земеделието (Аграрен доклад 2011)
  • Д Димитрова
  • И Черийска
  • К Георгиев
  • С Маринова
  • Н Колев
Димитрова Д., И. Черийска, К. Георгиев, С. Маринова, Н. Колев, "Потенциал за производство на биогаз в България", BiG>East, "Енергопроект" АД и Институт по почвознание "Н. Пушкаров", 2009 4. Министерство на земеделието и храните "Годишен доклад за състоянието и развитието на земеделието (Аграрен доклад 2011)", 2011 5. BSREC "Accelerated Penetration of Small-Scale Biomass and Solar Technologies (ACESS)", Deliverable No: D13, Maps and databases on the biomass potential, 2006-2008
Потенциал за производство на биогаз в България
  • Д Димитрова
  • И Черийска
  • К Георгиев
  • С Маринова
  • Н Колев
Димитрова Д., И. Черийска, К. Георгиев, С. Маринова, Н. Колев, "Потенциал за производство на биогаз в България", BiG>East, "Енергопроект" АД и Институт по почвознание "Н. Пушкаров", 2009
Accelerated Penetration of Small-Scale Biomass and Solar Technologies (ACESS)
BSREC "Accelerated Penetration of Small-Scale Biomass and Solar Technologies (ACESS)", Deliverable No: D13, Maps and databases on the biomass potential, 2006-2008