Биоэнергетика

Определяющим свойством биоэнергетики является ее исключительное равновесие с окружающей средой и классическая возобновляемость в подлинном смысле этого слова.

Рост растений на основе энергетических процессов фотосинтеза происходит при определенной температуре окружающей среды. Рост животных, их энергетика и образование «отходов» происходят при температуре окружающей среды в широком смысле.

Процессы метанизации биомассы в болотах и в искусственных условиях сельского хозяйства и биоэнергетических установках происходят при температуре окружающей среды.

В то же время, произведенное в естественных процессах биоэнергетическое топливо позволяет достичь достаточно высоких температур.

Процессы естественного выгорания биомассы, постоянно идущие на планете, пока не нарушают природного равновесия.

В свое время металлургия, требующая температур около 2000 ºС, выросла на использовании именно биомассы (древесного угля, получаемого из древесины).

Энергетическая история человечества начинается с использования биомассы (дров).

На современных промышленных предприятиях в топливном балансе неизбежно присутствуют дрова: рубка естественных растений на территории, отходы упаковки, отходы строительства и ремонтов, утилизация отходов деревообработки и древесного лома и других отходов.

Естественность процессов образования биоэнергетического топлива и равновесность этих процессов с окружающей средой дают основания утверждать, что ее энергетическая ниша никогда не исчезнет, а сдвиг равновесия окружающей среды при использовании других видов энергоресурсов заставит устранить имеющиеся перекосы в мировом энергетическом балансе.

Важно отметить, что скорость образования биоэнергетического топлива на много порядков превышает скорости образования ископаемого топлива. Природный метан является одним из продуктов биоэнергетики и имеет скорость образования порядка суток (при брожении биомассы).

Биоэнергетика заслуживает самого пристального внимания, изучения и использования.

Под термином «биомасса» понимается органическое вещество растительного или животного происхождения, которое может быть использовано для получения энергии или технически удобных видов топлива путем термохимической (прямое сжигание, пиролиз, газификация) или биологической конверсии. Если говорить о древесном топливе, то следует вспомнить, что в начале XX века в России его доля составляла 40 % в балансе всех первичных источников энергии, а в 1998 году – всего 0,4 %. В таких странах, как Швеция и Финляндия, доля древесного топлива в топливном балансе составляет 18-20 %. В США создаются плантации для выращивания «энергетической» древесины из быстрорастущих лиственных пород. При этом ее потребление не превышает естественного прироста, так что данный источник энергии вполне соответствует понятию «возобновляемый».

Россия обладает собственными лесными ресурсами, составляющими 24 % мировых. Годовой прирост древесины около 10⁹ м³, возможный объем ее заготовки составляет до 1,8∙10⁸ м³, возможная ежегодная добыча древесного топлива – 38 млн т.у.т.

Качества древесины как топлива делает ее природной для энергоустановок относительно малой мощности. Газогенераторная энергоустановка на древесине вполне конкурентоспособна, например, с дизель-электрической установкой сопоставимой мощности. В России выпускается соответствующее оборудование для таких газогенераторных энергетических установок.

Газификация – сжигание биомассы при температуре 800-1500 ºС в присутствии воздуха или кислорода и воды с получением синтез-газа или генераторного газа с теплотой сгорания от 10500 до 14600-16700 кДж/м³ (при нормальных условиях), состоящего из смеси угарного газа (монооксид углеводорода) и водорода: возможны примеси метана и других углеводородов.

Другое направление – это использование энергии биомассы – биоконсервация органических отходов растениеводства, животноводства и птицеводства, а также органической составляющей городского мусора. Это направление активно развивается в мире.

Помимо биогаза (основная его часть - метан), пригодного для производства электроэнергии и тепла, результатом биоконверсии указанных отходов являются также экологически чистые удобрения. Таким образом, наряду с энергетической задачей решается не менее важная экологическая задача, заключающаяся в ликвидации отходов, загрязняющих окружающую среду. В России разрабатываются и производятся биогазовые установки различной производительности по биогазу, в том числе для фермерских хозяйств. Срок окупаемости таких установок – 1-2 года.

Потенциал биомассы, пригодный для энергетического использования в большинстве стран, достаточно велик, и его эффективному использованию уделяется значительное внимание.

В США в 1990 году благодаря использованию биомассы был произведен 31 млрд кВт∙ч электроэнергии, кроме того, за счет твердых бытовых отходов (ТБО) еще 10 млрд кВт∙ч. На 2010 год планировалось выработать соответственно 59 и 54 млрд кВт∙ч. Оценка технического потенциала различных видов биомассы, выполненная в Германии, дает: остатки лесной и деревоперерабатывающей промышленности – 142 млн ГДж/год; солома – 104 млн ГДж/год; биогаз – 81 млн ГДж/год.

Эти оценки сделаны при весьма осторожных предположениях. В частности, предполагается, что доля отходов лесной промышленности составляет 25 % годового прироста древесины. Аналогично для соломы учитывается ее количество, которое должно остаться на поле для поддержания содержания гумуса в почве. Для биогаза учитываются только хозяйства, имеющие не менее 20 голов крупного рогатого скота или эквивалентного количества свиней или птицы.

Серьезной проблемой является энергетическое использование ТБО. Мусоросжигающие установки (инсинераторы), имеющиеся во многих странах мира, малоэффективны и не удовлетворительны с точки зрения экологии. Поэтому разработка новых схем использования ТБО представляется весьма актуальной.

Особенно остра проблема эффективного использования биомассы для развивающихся стран, прежде всего для тех, у которых биомасса является единственно доступным источником энергии. Здесь в основном речь идет о рациональном использовании древесины и различных сельскохозяйственных и бытовых отходов. Известно, что сегодня население некоторых стран, прежде всего Африки, вырубает леса на дрова для приготовления пищи, и что этот процесс обезлесивания представляет собой угрозу как местному, так и глобальному климату. Используемые сегодня дровяные очаги для приготовления пищи имеют КПД 14-15 %. Применяя более совершенные устройства, этот КПД легко повысить до 35-50 %, то есть сократить потребность в исходном топливе более чем в 3 раза.

Хорошо известна программа Бразилии, посвященная получению из отходов сахарного тростника метанола, применяемого как моторное топливо для автотранспорта. Однако этот пример интересен только для стран с соответствующим климатом.

Большое распространение в некоторых странах (Китай, Индия и др.) получили малые установки, утилизирующие отходы для одной семьи. В этих установках, число которых исчисляется миллионами, в результате анаэробного сбраживания производится биогаз, используемый для бытовых нужд. Эти установки весьма просты, но не очень совершенны. Для больших ферм со значительным количеством отходов создаются более эффективные биогазовые установки.

Для производства электрической и тепловой энергии в лесоперерабатывающей промышленности широко используется биомасса – энергоносители растительного происхождения, образуемые в процессе фотосинтеза. Содержание серы в биомассе составляет менее 0,1 %, зольность – 3-5 % (в угле эти показатели равны 2-3 и более 10-15 % соответственно). Если производство биомассы соизмеримо с ее сжиганием, содержание углекислого газа в атмосфере остается неизменным.

Наиболее оптимальный способ использования биомассы – ее газификация с последующим срабатыванием в газовых турбинах. Предварительные расчеты показывают, что турбогенераторы, работающие на продуктах газификации биомассы, могут успешно конкурировать с традиционными тепловыми, ядерными и гидравлическими энергоустановками. Наиболее перспективными областями применения таких турбогенераторов уже в ближайшем будущем могут стать отрасли экономики, в которых скапливаются большие объемы биомассы (в частности, сахарные и винокуренные заводы, перерабатывающие сахарный тростник). Так, в Бразилии при использовании биомассы с винокуренных предприятий образуется столь значительный избыток энергии, что ее реализация делает спирт дешевле нефти. Только из сахарного тростника может быть произведено 50% энергии, которая вырабатывается сейчас всеми источниками в 80 развивающихся странах, где выращивают эту культуру.

Коэффициент использования теплоты генераторного газа при комбинированной выработке тепловой и электрической энергии 80-84 %. Благодаря применению обращенного процесса газификации на 20 % снижается металлоемкость теплоэлектрической установки.

Синтетическое топливо, по мнению ученых, может стать важным источником энергии в XXI веке. Специалисты обращают внимание на метанол, отличающийся простотой транспортировки и меньшим, чем бензин, уровнем местного загрязнения окружающей среды (если ментол производится на основе природного газа). Однако в продуктах сгорания метанола, синтезированного из угля, содержится в два раза больше углекислого газа, чем его выделяется при сжигании бензина. Выход может быть найден на пути синтеза метанола при газификации древесной биомассы.

Альтернативой метанолу считается этанол, производимый при ферментации получаемого из биомассы сахара (исходные продукты: сахарный тростник, как в Бразилии, и кукуруза, как в США). Пока технология производства этанола достаточно дорогостоящая, но использование энзимов может снизить стоимость ферментации и сделать его конкурентоспособным с бензином.

Потенциальное использование биомассы в США может позволить заменить всю нефть, расходуемую сейчас в качестве горючего для легковых автомобилей, а также уголь, сжигаемый для производства электричества. При этом число выбросов углекислого газа сократилось бы наполовину.

Ежегодный объем органических отходов (биомассы) в СНГ составляет 500 млн т. Их переработка потенциально позволяет получить до 150 млн т условного топлива в год: за счет производства биогаза (120 млрд м³) – 100-110 млн т, этанола – 30-40 млн т. Окупаемость современных технологий производства биогаза из отходов по оценкам специалистов составляет от 3 до 5 лет.

За счет использования биогаза можно получить годовую экономию органического топлива 18 млн т. Для этого необходимо создать высокоэффектные штампы анаэробных микроорганизмов, специальные виды энергетической биомассы, технологии, эффективное оборудование.