Способы и устройства использования отходов производства или с/хозяйства для энергоснабжения. Биоэнергетика

Рассматриваются возможности использования биомассы в качестве коммерческого источника газообразного топлива и энергии в мире и в отдельных странах.

Известный английский исследователь и один из авторитетных экспертов Д. Холл, дает достаточно подробную оценку современного состояния этой проблемы в мире и в отдельных странах, перспективам развития причинам, тормозящим более интенсивное применение биомассы как энергетической составляющей в энергобалансе развитых и развивающихся стран.

Основной источник биомассы на Земле - фотосинтез. Биомасса или биоресурсы – мощный потенциальный мировой источник топлива и химии. Это возобновляемые ресурсы, составляющие ежегодно 220 млрд. т (по сухому веществу) и имеющие в запасе в виде энергии химических связей около 4 × 10²¹ Дж. Общие мировые энергетические запасы биомассы на земной поверхности составляют 36 × 10²¹ Дж, а ежегодное мировое коммерческое использование всей энергии – всего 3,9 × 10²⁰ Дж. В среднем 1 т биомассы содержит всего 2 × 10¹⁰ Дж или эквивалента 0,625 т у.т.

Термин биомасса описывает все компоненты, являющиеся производными от первичной фотосинтетической продукции: растительный и животный мир, продукты переработки биомассы, разнообразные органические отходы. Например, энергетическое содержание производимых в мире сельскохозяйственных отходов составляет 93 × 10¹⁸ Дж/год. Если из них реально использовать только 25 %, то можно обеспечить около 7 % мировой энергии.

Городские твердые отходы (ТБО) также могут быть важным источником энергии. Только в США их ежегодно образуется около 200 млн. т (по 1 т/год на человека). В развивающихся и слаборазвитых странах эти значения несколько меньше, но можно предположить, что ежегодно в мире в городах накапливается 2-3 млрд. т ТБО. Если считать, что в среднем они содержат 60-65 % органических веществ растительного и животного происхождения, то по аналогии с фотосинтетической биомассой ежегодное накопление энергии в ТБО может составлять 4-6 × 10¹⁸ Дж.

В последние годы прогнозируется, что вклад биомассы в производство энергии составит от 59 до 145 × 10¹⁸ Дж к 2025 г. и от 94 до 280 × 10¹⁸ Дж к 2050 г. (см. таблицу). Доля энергетической биомассы, которая будет в 21 в. входить в общую энергетику, зависит от многих факторов, которые трудно предвидеть на данном этапе.

Современные технологии конверсии биомассы в топливо.

Технологии получения твердых, жидких и газообразных топлив из различных видов биомассы – от фотосинтетической до органических отходов – развиваются по двум направлениям: термохимическому и биотехнологическому.

В свою очередь термохимические технологии включают в себя следующие процессы:

- прямое сжигание; - пиролиз;

- газификацию; - сжижение;

- быстрый пиролиз; - синтез.

К биотехнологическим технологиям относятся такие процессы, как:

- биогазовые технологии; - производство эталона;

- получение биодизельных топлив, жирных кислот, растительных углеводородов; - получение тепловой энергии.

Прямое сжигание – древнейший, но наименее выгодный процесс с к.п.д. получения тепловой энергии 15-18 %. Однако существуют такие виды биомассы, которые выгоднее сжигать при условии создания тепловых агрегатов с более высоким к.п.д. К таким видам биомассы относятся:

- солома злаковых и крупяных культур; - стебли подсолнечника и кукурузы, из которых готовят топливные гранулы;

- некоторые виды древесины; - древесные отходы;

- твердые отходы сельскохозяйственного производства;

- городские твердые отходы;

- отходы производства сахара из сахарного тростника – багасса, которая при прямом сжигании используется для производства пара, электричества, пульпы, бумаги, картона, корма для животных. В 1995 г. во всем мире было получено около 200 млн. т багассы, из которых 95 % использовалось как топливо для производства сахара, заменив 40 млн. т нефти.

Пиролиз – термохимическая конверсия сырья без доступа воздуха при температуре 450-550 ^оС позволяет из 1 м³ абсолютно сухой древесины получать: 140-180 кг древесного угля, не содержащего ни серы, ни фосфора и используемого для получения лучших сортов стали, 280-400 кг жидких продуктов – метанола, уксусной кислоты, ацетона, фенолов; 80 кг горючих газов – метана, монооксида углерода, водорода.

Газификация – сжигание биомассы при температуре 900-1500 ^оС в присутствии воздуха или кислорода и воды с получением синтез-газа, состоящего из смеси монооксида углерода, водорода и стеклообразной массы (7-10 % массы исходного материала), применяемой как наполнитель для дорожных покрытий. Газификация – более прогрессивный и экономичный способ использования биомассы для получения тепловой энергии, чем пиролиз. Синтез-газ имеет высокий к.п.д. тепловой конверсии. Он может употребляться для получения метанола.

Сжижение – это производство жидкого топлива из биомассы путем термической конверсии: термический пиролиз или газификация в присутствии катализаторов. Реакция происходит так, чтобы в качестве основного продукта получалось жидкое топливо, и при этом можно производить уголь и газ.

Быстрый пиролиз – биомасса в течение короткого времени подвергается воздействию экстремально высоких температур (700-1400 ^оС), в результате которого происходят быстрое разложение исходных продуктов и образование новых соединений: этанола, пропилена, углеводородов, близких к бензину. Газ, получаемый с помощью быстрого пиролиза, содержит водород, метан, этилен, пропилен. Использование быстрого пиролиза биомассы выгоднее, чем пиролиза угля, так как биомасса содержит значительно меньше золы, и ее можно подвергнуть воздействию более низких температур. Этому направлению, очевидно, принадлежит будущее.

Синтез – каталитический синтез метанола из газов, образующихся из термической конверсии биомассы. Изменяя температуру и давление, а также используя уникальные катализаторы, кроме метанола можно получить целый ряд других соединений. Промежуточные соединения образуются из лигнина. Из 1 т древесины можно синтезировать 410-540 л метанола. Если синтез производить в присутствии водорода, получающегося при электролизе воды, то выход метанола увеличивается до 1400 л.

Биогазовые технологии. Биогаз – смесь метана и углекислого газа – продукт метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения, осуществляемого специфическим природным биоценозом анаэробных бактерий различных физиологических групп. Метановое брожение протекает при температурах от 10 до 55 ^оС в трех четко определенных диапазонах: 10-25 ^оС – психрофильное; 25-40 ^оС – мезофильное; 52-55 ^оС – термофильное; влажность составляет от 8 до 99 , оптимальная – 92-93 %.

Содержание метана в биогазе варьируется в зависимости от химического состава сырья и может составлять от 50 до 90 %. В зависимости от природы исходного сырья изменяется и выход биогаза: от 200 до 600 л на 1 т абсолютно сухого вещества.

К настоящему времени разработано и применяется множество технологий получения биогаза, основанных на использовании различных вариаций температурного режима, влажности, концентраций бактериальной массы, длительности протекания биореакций.

Производство этанола. Этанол, а также другие низшие спирты, альдегиды и кетоны – продукты спиртового брожения разнообразных сахаро- и крахмалосодержащих субстратов. Однако наиболее распространенными видами сырья для производства этанола являются отходы сахарного производства: багасса или меласса (сахарная свекла), а также крахмал кукурузы, сорго, картофеля, пшеницы и риса. До недавнего времени в России этанол получали при брожении гидролизной целлюлозы.

Наиболее значительный интерес в мире к жидким биотопливам (особенно к этанолу) для использования на транспорте высоким ценам на нефть. Однако и в настоящее время в развивающихся странах он имеет тенденцию к продолжению вследствие экологический проблем.

В некоторых странах этанол в чистом виде или в смеси с бензином (газохол) широко применялся в 70-е годы для двигателей внутреннего сгорания.

Биодизельное топливо имеет те же характеристики, что и обычные дизельные масла, которые могут использоваться в дизельных двигателях. Биодизельное топливо может быть получено из любого маслосодержащего растения – семян рапса, сои, кактусов и т.д. Преимущество биодизельного топлива состоит в том, что его производство основано на широко известных технологиях получения растительных масел с их дальнейшим метилированием и растительных углеводородов.

В 80-е годы возрос интерес к растительным углеводородам. Как правило, эффективные продуценты углеводородов и масел являются представителями тропической и субтропической флоры. Однако и в умеренном климате имеются культурные растения, семена которых содержат значительные количества масел, - подсолнечник, конопля, лен, рапс и др.

Получение тепловой энергии активным компостированием (микробным окислением). Использование этого метода для утилизации твердой биомассы и, прежде всего, твердых органических отходов также может внести существенный вклад в энергетику, в частности, в производство тепловой энергии. Метод основан на процессе бактериального окисления твердых органических веществ с образованием тепловой энергии, которая повышает температуру пропускаемого воздуха до 80…90 ^оС. Путем компрессии температуру выходящих газов можно поднять до 110 ^оС. В некоторых странах, например в Японии, разработаны опытно-промышленные установки к.п.д. которых достигает 95 %.

Зарубежный опыт использования биомассы для получения топлива и энергии

Биомасса является важным источником энергии для многих отраслей промышленности как в индустриальных, так и в развивающихся странах. Промышленное применение биомассы в индустриальных странах включает в себя получение:

- древесного угля; - электричества;

- тепловой энергии в многоквартирных домах, коттеджах, виллах и дачах; - малое промышленное применение;

- децентрализованное получение энергии.

Например, во Франции в 1992 г. для этого было использовано около 22 млн. м³ дров.

В странах Европейского Союза в среднем применение биомассы для энергетических нужд составляет ежегодно до 3 % (180 × 10¹² кДж) общего энергобаланса, но их доля различна: так, в Австрии она равна 12, в Швеции – 8, в Финляндии – 23 %.

Прогнозируется, что к 2010 г. около 540 × 10¹² кДж (8,5 %) общей энергии может быть получено из биомассы. В индустриальных странах это направление развивается более интенсивно.

В развивающихся странах биомасса является главным источником энергии для многих ремесленников и малых производств: хлебопечение, пивоварение, текстильная мануфактура, производства табака, кофе, чая, копченостей, кирпича и т.п. Например, в Азии около 20 % регионов используют дрова в сельскохозяйственном производстве и при переработке сельхозпродуктов. Древесный уголь применяется при производстве железа, стали, цемента и т.д.

В Бразилии для тяжелой промышленности требуется ежегодно свыше 6 млн. т древесного угля. Здесь для получения топлива и энергии эффективно используется багасса. Оценка энергетического потенциала остатков багассы после обеспечения всей энергии, необходимой для сахарного производства и получения этанола, составляет 6000 МВт. В 1995 г. имелось 12 заводов мощностью 114,8 МВт по производству спирта, использующих багассу. Несмотря на очевидную выгодность ее энергетического использования, в Бразилии имеются проблемы, уменьшающие масштабы применения последней: ограничения на использование частного капитала для развития промышленного производства электроэнергии; длительные сроки окупаемости оборудования, применяющего багассу; сезонность потребления багассы и трудности ее хранения; сложности связывания национальных и региональных энергосетей в большинстве далеких сельских районов; низкие тарифы на электроэнергию и необходимость правительственных субсидий.

В Индии программа децентрализации производства энергии, инициированная в 1995 г., обеспечила поддержку проектов по производству энергии мощностью от 10 до 15 МВт в малых сельских общинах. Предусматривалось на период 1970-2000 гг. выполнить проекты установок общей мощностью 500 МВт. Проект включал в себя создание около 1600 систем газификации мощностью 16 МВт главным образом для получения электроэнергии в сельской местности. Для Индии потенциальные возможности использования багассы оцениваются в пределах 2800-5100 МВт.

В Китае к 2010 г. планируется создание станции мощностью 300 МВт по газификации багассы, соломы и опилок.

В США реализуются проекты: государственной электростанции на Гавайях (сжигание багассы в псевдоожиженном слое) мощностью 3…5 МВт и электростанции в штате Вермонт мощностью 45 МВт, работающей на древесной щепе.

Страны ЕС также активно размещают системы газификации биомассы. В 1990 г. их мощность составила 15 МВт, к 2000 г. планировалось довести эти мощности до 20-30 МВт, а к 2005 г. до 5-80 МВт.

В ЕС активно совершенствуются энергоконвертирующие системы с учетом их экологической безопасности. В Австрии уже имеется около 100 местных временных топливных систем мощностью 1200 МВт. Различные системы газификации и газотурбинных комбинированных циклов мощностью 6 МВт электрических и 9 МВт тепловых уже созданы и создаются в Швеции (местечко Варнамо). Ежегодное использование биотоплива оценивается в 42 × 10¹⁵ Дж.

В последние годы вновь повысился интерес к биотопливам, особенно к этиловому спирту. Ведущими странами по его производству и топливному использованию являются Бразилия и США. А меньших объемах этанол для целей энергетики производят в Аргентине (220 Мл/год). В ЕС опыты по применению биоэтанола в транспорте были проведены в Германии, Италии, Швеции и Франции.

В настоящее время Бразилия ежедневно замещает этанолом до 250000 баррелей импортируемой нефти. В момент наивысшей реализации этой программы в Бразилии почти 5 млн. автомашин использовали чистый этанол и 9 млн. – его смесь (20-22 %) с бензином (газохол). Позднее повышение цен на сахар, высокие требования к чистоте этанола, а также неопределенное отношение правительства к этой программе привели к сокращению применения этанола. Если в 1989 г. количество автомашин, использующих этанол, составляло 7 млн., то к 1997 гг. оно упало до нуля. Начиная с 1976 г., 140 млн. м³ бензинового эквивалента было замещено этанолом, что оценивается в 50 млрд.$.

Заметно растет интерес к использованию этанола как топлива в США – втором мировом лидере по масштабному изготовлению этанола для нужд автотранспорта. В 1994 г. его производство оценивалось в 5,3 млрд. л и дополнительно строились новые предприятия по выпуску этанола в объеме 908 млн. л. Предусматривается дальнейшая экспансия, так как этанол входит в октановый рынок, и как «чистое» топливо производится теперь в 21 штате; этанол-бензиновая смесь (газохол) составляет 10 % топливного рынка США и используется более чем в 100 млн. двигателей.

Департамент энергетики США планирует изготовлять этанол из биогидролизатов (ферментное расщепление целлюлозы) древесины при стоимости 0,2 $ за 1 л в 2005 г. и 0,14 $ за 1 л в 2030 г., а также к 2005 г. увеличить его производство методом ферментативного гидролиза до 9 млрд. л и к 2030 г. довести его до 85 млрд л.

К другой группе жидкий биотоплив, вызывающих коммерческий интерес в США, Канаде и ЕС, относится биодизельное топливо. В соответствии с изложенным используются 4 главные технические альтернативы:

- создание смесей растительных масел с дизельным топливом для отопления;

- очистка растительных масел для специальных дизельных двигателей;

- трансэфиризация растительных масел для нормальных дизельных двигателей;

- трансэфиризация растительных масел, смешанных с дизельным топливом, для нормальных дизельных двигателей.

Широкомасштабное производство биодизельного топлива из рапса уже начато: в Австрии оно составляет 3 % общего рынка дизельного топлива при наличии производственных мощностей до 30 тыс. т/год, во Франции эти мощности составляют до 20 тыс. т/год, в Италии в ближайшие годы планируется создание мощности по производству биодизельного топлива в объеме 60 тыс. т/год.

В США планируется на 20 % заменить обычное дизельное топливо биодизельных и использовать его на морских судах, городских автобусах и в малой индустрии. Несмотря на увеличивающийся интерес к биодизельному топливу, его рынок пока еще ограничен из-за высоких цен и требований к растительным пищевым маслам.

Среди биотехнологий, применяемых для производства топлив и энергии, важное место занимают биогазовые. Интенсивное их внедрение в развитых и развивающихся странах, повышение эффективности и рентабельности внесли значительные изменения в переориентировку этих технологий от только энергетических к экологическим и агрохимическим (производство удобрений), особенно при переработке разнообразных органических отходов. Очевидно, это является решающей альтернативой для получения биогаза.

Дания стала первой страной, успешно продемонстрировавшей коммерческие биогазовые заводы по переработке отходов животноводства и других сельскохозяйственных отходов для получения тепловой и электрической энергии.

Большие количества биогаза производятся главным образом при переработке твердых бытовых отходов городов: в США – эквивалентно 93×10¹⁵ Дж, Германии - 14×10¹⁵, Японии - 6×10¹⁵, Швеции 5×10¹⁵ Дж.

В конце 1995 г. в Китае около 5 млн. семейных биогазовых реакторов (ферментеров) ежегодно производили около 1,3 млрд. м³ биогаза. Кроме этих систем имеются 600 больших и средних биогазовых станций, которые используют органические отходы от животноводства и птицеводства, винных заводов с общим объемом 220000 м³ и 24000 биогазовых очистительных реакторов для обработки отходов городов; работают также около 190 биогазовых электростанций с ежегодным производством 3 × 10⁹ Вт×ч. Биогазовая продукция в Китае оценивается в 33 × 10¹⁵ Дж.

В Индии, как в Китае, основной упор сделан на семейные и общинные биогазовые установки – в 1993 г. их было около 1850 тыс. Однако они требуют первоначальных относительно высоких инвестиций и поэтому не всегда доступны индийским крестьянам. Только в тех случаях, когда нет других источников биомассы, биогаз становится важным источником энергии.

Основные положения национальной программы Индии по развитию биогазовых технологий включают в себя: снабжение чистой энергией для приготовления пищи; получение органических удобрений, обогащенных химическими элементами; повышение уровня жизни крестьян; улучшение санитарно-гигиенических условий быта и работы. Политическая тенденция – поддерживать строительство биогазовых станций большой производительности.

Дания – мировой лидер в индустриальном производстве биогаза. Около 8 % современного потребления энергии в этой стране приходится на возобновляемые источники энергии, и их доля, как ожидают, к 2035 г. увеличится до 35 %. Наряду с другими возобновляемыми источниками энергии правительство Дании представляет налоговые льготы и для производителей биогаза, т.е. 20 % капитальных инвестиций для централизованного биогаза и 30 % для индивидуальных станций или установок.

Наибольшее внимание в этой стране уделялось строительству больших централизованных биогазовых заводов, которые занимаются переработкой отходов животноводства и птицеводства, создающих серьезные экологические проблемы в некоторых районах. В 1996 г. в эксплуатации находилось 18 централизованных биогазовых заводов, способных ежегодно перерабатывать 1,2 млн. т биомассы (75 % отходов животноводства и 25 % других органических отходов), давая 40-45 млн. м³, что эквивалентно 24 млн.м³ природного газа. Суммарная годовая энергетическая мощность биогаза Дании, получаемого из всех источников составляет 4 × 10²⁵ Дж; к 2005 г. планируется дальнейшее увеличение его производства до 6 × 10¹⁵ Дж.

№ 80