Возобновляемая энергия.Биотоплива.Новые конкурентные вызовы С.Д.Варфоломеев Институт биохимической физики,Российская академия наук Химический факультет. - презентация

1 Возобновляемая энергия.Биотоплива.Новые конкурентные вызовы С.Д.Варфоломеев Институт биохимической физики,Российская академия наук Химический факультет Московского государственного университета

2 Department of CHEMICAL ENZYMOLOGY и

3

4 Быстрое исчерпание в будущем ресурсов обычного топлива и опасность увеличения углекислого газа в атмосфере настоятельно ставят перед человечеством проблему создания принципиально новой базы мировой энергетики. Времени на создание этой базы у нас мало, по-видимому, около 100 лет. Н.Н.Семёнов,1974

5

6

7

8 «Та страна, которая станет лидером в области чистой энергетики, будет вести за собой весь мир в новой глобальной экономике» «Nations everywhere are racing to develop new ways to produce and use efficient and clear energy. The nation that wins this competition will be nation that leads the global economy. I'm convinced of that. And I want America to be that nation» Barak Obama,2009

9 Biofuels Ethanol Butanol Biodiesel Biooil Methane Biohydrogen Bioketals Bionitrils

10 10 % of would agricultural areas 250 mln. tonconcentrated agriculture wastes 50 mln. ton concentrated wastes of timber 2005industry Lignocellulosic materials 100 bln. l. fuels+54 bln. м 3 methane+72 mln. ton fertilizers Potential of Russia Russia 35 bln l

11 10 % of would agricultural areas Recovery of lost agricultural fields 22(40) mln ha 330(600) mln ton of biomass 200(350) mln ton of renewable fuels Potential of Russia Russia 33 mln ton

12 Conversion of biomass to fuels Ligno-cellulose materials thermogasification anaerobic pyrolysis anaerobic microbe conversion (biogas) Chemical and fermentative methods hydrolysis soluble carbohydrates ethanol butanol high-octane additives solubilization in organic phase Granulation and structurization of a biomass

13 Hemi- and Ligno- cellulose - fundamental reserves for biofuels

14 Endogluconase Xylanase б-Glucosidase Agriculture waste Corn Bagasse Corn stem Cellobiohydrolase Wood chipsCorn coats wheat straw

15 Crioimmobilised producers of enzymes New technologies for production of enzymes - High outputs -Purification of enzyme during synthesis Extracellular enzymes (amylases, cellulases,lipases)

16 Immobilyzed cells-intensification of the processes.Bioethanol and biobutanol production by immobilyzed cells-new solution for the old problem

17

18 Two pathways for fuel production BiomassGlicose MicrobialHydrolysis Ethanol Buthanol fermentation Wastes Enzymes production Xylose Arabinose Lignin Wastes

19 Bioketals as new biofuels. Chemical modification of glycerol and carbohydrates-transformation into compounds,soluble in traditional fuels

20 Two pathways for fuel production BiomassGlicose Chemical Hydrolysis Ethanol Buthanol Fermentation Biocatalytic Process Xylose Arabinose Lignin Chemical modification (hydrophobization) Fuels

21 Two pathways of biofuel production from biomass Fermentaion % Ketalizaion- Rice straw 61%, Wheat straw- 58%, Miscanthus-71%

22 Hydrocarbons soluble carbohydrates and polyols О О СН 3 О О ОН О О С2Н5С2Н5 СН 3 ОН О О О О СН 3 CH 2 О О О СН 3 О O CHО O CH O O O O O HОHО О О

23 Bioketals –free radical antyoxydants in fuels R 1 = H, R 2 = Ph

24 Octane number enhancers (MON 80) Ketal (g\l)Ethanol (ml\l)MON Ketal of arabinose Ketal of arabinose + ИБХФ Ketal of glucose Mix ketals from biomass

25 Water stabilization in gasoline-alcohol fuel (10% of ethanol, 0.4% of water) KetalContent ( %)Phase stability upto ( С) Glycerol0–10.4 1– Lover than –30 Arabinose1– Lover than –30 Product of hydrolysis of miscunthus 1– Lover than –30

26 Pilot plant for bioketals production

27 Объемы вновь введенных и выведенных из эксплуатации в Европе в 2009 г. Мощностей по производству электричества по видам источника энергии

28 BioWatt Project Methane from biomass – cogeneration of electricity,heat and fertilizers

29 Cogeneration of electricity and heat from wastes System of cogeneration Electricity 35% Heat 55% Wastes Биоотходы, Biogas Membrane separation Биореактор Газотурбинная установка Наномембранный сепаратор КПД – 90% 100% Ассоциация «АСПЕКТ»

30

31 Электромобиль Е6 фирмы BYD (Китай) Cрок службы аккумуляторов не менее 10 лет. Весит батарея около 800 кг и имеет емкость 60 к Вт*ч., этого хватит проехать до 330 км на одной зарядке; максимальная скорость км/ч.

32 Электромобиль Toyota RAV4

33 New challenge Elecroenergy accumulation or fuel Eleсtrocar E-REV 2 cents/km (0,1 doll/kV-h) Ford cents/km (3,6 doll/gallon)

34 Солнечные преобразователи и новые накопители энергии Сенсибилизированные полупроводниковые материалы Электрон-проводящие и ред-окс полимеры Протон-проводящие среды,системы переноса заряда,твёрдые электролиты Технологии контролируемого планарного нанесения субмикронных слоёв Новые наноматериалы,совмещающие электронную и ионную проводимости

35 Устройство суперконденсатора Separator – ионообменная мембрана Electrolyte – жидкий или полимерный электролит Active porous electrode material – нано-пористый материал с большой удельной площадью поверхности

36 Суперконденсатор + солнечная батарея Генерируемая мощность ~ 100 W/m 2 Генерируемая энергия за 10 часов = 3.6*10 6 J/m 2 25 J/cm J/cm J/cm 3 10 часов 15 cm3.6 cm0.36 cm 100 часов 150 cm36 cm3.6 cm 1000 часов 1500 cm360 cm36 cm Требуемая толщина суперконденсатора Суперконденсатор Солнечная батарея 1 метр H

37 Суперконденсатор в качестве источника энергии для автомобиля 25 J/cm J/cm J/cm 3 8 m 3 2 m m 3 Требуемый объем суперконденсатора Теплота сгорания бензина - 42 MJ/kg Объем ба ка 20 литров (0.02 m 3 ) Химическая энергия, запасенная в баке ~ 8*10 8 J КПД двигателя внутреннего сгорания ~ 25% Полезная энергия в баке ~ 2*10 8 J КПД электрического двигателя ~ 90% Объем суперконденсатора = полезная энергия/плотность энергии 0.2 m 3 ~ 0.6 x 0.6 x 0.6

38 New materials for photovoltaics and hybrid supercapacitors

39 Nanobiotechnology polymer Surface modification by thermal activated polycondensation - NH 2 - COOH - OH

40 Polycondensation of aspartic acid on the surface of nano- or microparticles Asp кислота Полисукцинимид Na соль Asp кислоты Поли Asp кислота

41 Polycondensation of amino acids on the surface of nano-particles in the mirowave field reaction zone Magnetron C Solid phase polymerisation of aminoacids Carbon, TiO 2, NbC, FeC, (TeW) x O x, metals, Fe 3 O 4 …

42 Pilot-plant for nanoparticles functionalization Reactor 1 L 100 ton\y Fuel cells Contraster for tomography Catalysts for ketalisation Catalysts for biomass hydrolysis Supercapacitors Nanodrugs Sensors and biosensors Magnet field directed drugs Lignin oxydation Magnetron MW

43 Экспоненциальный рост объемов производства энергии и топлив из возобновляемых источников τ = 1,5 – 2,5 года В ближайшие десятилетия объемы мирового производства биотопливааааа и фотоэлектричества могут сравняться с объемами добычи нефти и производства электроэнергии традиционными способами

44 Экспоненциальный рост объемов производства энергии и топлив из возобновляемых источников τ = 1,5 – 2,5 года В ближайшие десятилетия объемы мирового производства биотопливааааа и фотоэлектричества могут сравняться с объемами добычи нефти и производства электроэнергии традиционными способами

45 Экспоненциальный рост объемов производства энергии и топлив из возобновляемых источников τ = 1,5 – 2,5 года В ближайшие десятилетия объемы мирового производства биотопливааааа и фотоэлектричества могут сравняться с объемами добычи нефти и производства электроэнергии традиционными способами

46 Экспоненциальный рост объемов производства энергии и топлив из возобновляемых источников τ = 1,5 – 2,5 года В ближайшие десятилетия объемы мирового производства биотопливааааа и фотоэлектричества могут сравняться с объемами добычи нефти и производства электроэнергии традиционными способами

47 Экспоненциальный рост объемов производства энергии и топлив из возобновляемых источников τ = 1,5 – 2,5 года В ближайшие десятилетия объемы мирового производства биотопливааааа и фотоэлектричества могут сравняться с объемами добычи нефти и производства электроэнергии традиционными способами

48 Exponential global growth of renewable electricity and biofuel production τ = 1.5 – 2.5 years where: τ = 1.5 – 2.5 years In the next decades photoelectricity the global production of biofuels and photoelectricity may become equal to the world oil production and conventional electric power production

49 Renewable energy.Biofuels,photovoltaics,supercapacitors Sergey Varfolomeyev Institute of Biochemical Physics,Russian Academy of Sciences Moscow State University

50 Электромобиль Китай BYB – 330 км/зарядку, V max 140 км/час (батарея 800 кг) Великобритания Программа «Электромобиль» – 26 мая 2010 г., мэр Лондона В. Johnson: Лондон столица электромобиля (3-5 лет электромобилей, 11 тыс. зарядных станций)

51 Структурные изменения энергетики Уменьшение потребности в нефтяном сырье для производства автомобильных топлив, уменьшение цен на нефть Увеличение потребности в электроэнергии Возобновляемая энергия (фото энергетические преобразователи, ветровая энергия, тепловые машины на солнечной энергии, биотопливаааааа) Увеличение потребности в газе Рост интереса к атомной энергии

52 Электромобиль Япония 15 июня 2010 г, 1000 км/зарядку (Мировой рекорд) Toyota – 90 км/зарядку, V max 100 км/час, 2012 – выход на рынки США. Создание инфраструктуры зарядных станций. США Tesla Roadster – уменьшение стоимости электромобиля ~ в 2 раза к 2012 году. Франция Citroen Berlingo – 400 км/зарядку (N i батареи), время зарядки 7 – 8 часов.

53 Efficiency and productivity of photosynthesis.Process at one and ten suns

54 Photosynthetic solar energy conversion

55

56 Photosynthesis at ten suns

57 Water biophotolysis-separate hydrogen and oxygen production.

58

59 Water biophotolysis by conjugated microbial cultures light Photosynthetic culture 80 liter H 2 /m 2 day Anaerobic hydrogen production

60 Biofuels in Russia:resourcers,industry, research projects Sergey Varfolomeyev Institute of Biochemical Physics,Russian Academy of Sciences Moscow State University

61 Biofuels in Russia:resourcers,industry, research projects Sergey Varfolomeyev Institute of Biochemical Physics,Russian Academy of Sciences Moscow State University

62 Nanozymes-enzyme like catalysts,polypeptides on nano- particles

63 Microwave activated and magnetic field directed enzyme-like chemical catalysts for biofuels production

64 USSR: Biomass hydrolysis and ethanol production industry- 22 plants Reactor 80 м 3 0,5% H 2 SO 4, ~ 200 o C τ hydrolysis ~ 30 – 50 min Ethanol,furfural,yeast biomass

65 Накопители электрической энергии \ автомобильное топливо Электромобиль E-REV 2 цента/км (0,1 долл/кв-час) Автомобиль Ford центов/км (3,6 долл/галлон)

66 Sporematerials Polymer solution Granulated mixture Biocatalytic activation Immobilized cells usage for enzyme synthesis and biofuel production New generation of catalyst for chemistry and biotechnology

67 Renewable energy.Biofuels,photovoltaics,supercapacitors Sergey Varfolomeyev Institute of Biochemical Physics,Russian Academy of Sciences Moscow State University