Биомассы как нетрадиционные источники энергии

Состав: 50—87 % метана, 13—50 % CO2, незначительные примеси H2 и H2S. После  очистки биогаза от СО2 получается биометан.

Производство биогаза  позволяет предотвратить выбросы  метана в атмосферу. Метан оказывает  влияние на парниковый эффект в 21 раз  более сильное, чем СО2, и находится  в атмосфере 12 лет. Захват метана —  лучший краткосрочный способ предотвращения глобального потепления.

 

В Индии, Вьетнаме, Непале и  других странах строят малые (односемейные) биогазовые установки. Получаемый в  них газ используется для приготовления  пищи.

Больше всего малых биогазовых установок находится в Китае — более 10 млн (на конец 1990-х). Они производят около 7 млрд м³ биогаза в год, что обеспечивает топливом примерно 60 млн крестьян. В конце 2010 года в Китае действовало уже около 40 млн биогазовых установок. В биогазовой индустрии Китая заняты 60 тысяч человек.

В Индии с 1981 года до 2006 года было установлено 3,8 млн малых биогазовых установок.

В Непале существует программа поддержки развития биогазовой энергетики, благодаря которой в сельской местности к концу 2009 года было создано 200 тысяч малых биогазовых установок.

В России агрокомплекс ежегодно производит 773 миллиона тонн отходов, из которых можно получить 66 миллиардов м3 биогаза, или около 110 миллиардов кВт•ч электроэнергии. Общая потребность России в биогазовых заводах оценивается в 20 тысяч предприятий.

В США выращивается около 8,5 миллионов коров. Биогаза, получаемого из их навоза, будет достаточно для обеспечения топливом 1 миллиона автомобилей.

Потенциал биогазовой индустрии Германии оценивается в 100 миллиардов кВт·ч энергии к 2030 году, что будет составлять около 10% от потребляемой страной энергии.

Микроводоросли

 

Специальное выращивание  биомассы в виде микроскопических водорослей с последующим ее перебраживанием в спирт или метан позволяет создать искусственный аналог процесса образования органических топлив, превосходящий по скорости естественные процессы в миллионы раз. Соотношение между величиной первичной биологической продукции и веществом, захороненным и сохранившимся в морских осадках, составляет 1000:1.

Создание специальных  условий может многократно ускорить образование топлива. КПД фотосинтеза  благодаря оптимизации питания  биогенными элементами, температуре  и перемешиванию может быть увеличен от 1,1 до 10 процентов. В процесс переработки  биомассы в газ и нефть может  быть включено все вещество, а не 0,001 его часть, как происходит в  природе, то есть естественный процесс  образования углеводородов может  быть значительно интенсифицирован. С этой точки зрения, большой интерес  вызывает одноклеточная водоросль  ботриококкус, содержание углеводородов в которой достигает 80 процентов от сухого веса.

Углеводороды локализуются в основном на наружной поверхности  клеток, и, следовательно, их можно удалять  простым механическим способом или, например, применяя центрифуги, причем клетки при этом не разрушаются и их можно возвращать обратно в культиватор. Состав углеводородов, продуцируемых ботриококкусом, позволяет использовать их в качестве источника энергии или как сырье в нефтехимической промышленности (непосредственно или после неполного крекинга). После гидрокрекинга на выходе получается 65 процентов газолина, 15 процентов авиационного топлива, 3 процента остаточных масел. 

 

Пеллеты

 

Неплохой альтернативой  пеллетам из древесного сырья являются гранулы, произведенные из разнообразных сельскохозяйственных отходов – шелухи и соломы зерновых культур, кукурузы и риса. У отходов сельскохозяйственного производства имеется неплохой потенциал для использования в качестве источника топлива в большинстве сельских регионов, особенно тех, лесные массивы в которых отсутствуют или очень невелики по площади.

По своему составу солома, конечно же, отличается от древесных  отходов и опилок значительным содержанием  летучих веществ, низкой плотностью и большим временем горения. Однако пеллеты из соломы характеризуются уже гораздо большей теплотворной способностью на единицу объема, которая почти в 10 раз превышает аналогичные показатели исходного сырья. К тому же, гранулированную солому легко транспортировать и хранить вне зависимости от времени года. Пеллеты из соломы позволяют полностью автоматизировать процесс загрузки гранул в топку котлов.

Получаемые из соломы методом  гранулирования пеллеты обладают повышенной устойчивостью к влажности, высокой плотностью и по своим характеристикам не уступают гранулам из древесных отходов. Единственным параметром, по которому гранулы из соломы проигрывают пеллетам из опилок, является зольность, составляющая для соломы 5,5 %, а для древесных отходов - 0,5 %. Однако, несмотря на это, гранулы из соломы рассматриваются как достаточно перспективный источник энергии. Сегодня это - новый и прибыльный бизнес, ведь рынок сбыта такой продукции очень широк – от охвата отечественных потребителей до экспорта гранул из соломы в Швецию и Данию, где их используют на протяжении длительного времени. Однако внутренний рынок также повернулся в последнее время лицом к новому виду топлива, поэтому соломенные гранулы сегодня очень востребованы.

Методы получения энергии  из биомассы

 

Практически все виды "сырой" биомассы достаточно быстро разлагаются, поэтому немногие пригодны для долговременного  хранения. Из-за относительно низкой энергетической плотности транспортировка биомассы на большие расстояния нецелесообразна. Поэтому в последние годы значительные усилия были предприняты для поисков  оптимальных методов ее использования.

 

Методы получения  энергии из биомассы основаны на следующих  процессах:

- Прямое сжигание биомассы.

 - Термохимическое преобразование для получения обогащенного топлива. Процессы этой категории включают пиролиз, газификацию и сжижение.

 - Биологическое преобразование. Такие естественные процессы, как анаэробное сбраживание и ферментация приводят к образованию полезного газообразного или жидкого топлива.

 

В некоторых из перечисленных процессов побочным продуктом является тепло. Оно обычно используется на месте образования или на небольшом удалении для теплоснабжения, в химических процессах или для производства пара и последующего получения электроэнергии. Основным продуктом процессов является твердое, жидкое или газообразное топливо: древесный уголь, заменители или добавки к бензину, газ для продажи или производства электроэнергии с использованием паровых или газовых турбин.

Энергетическая емкость

 

При рассмотрении энергетического  потенциала к биомассе относят все  формы материалов растительного  происхождения, которые могут быть использованы для получения энергии: древесину, травяные и зерновые культуры, отходы лесного хозяйства и животноводства и т.д. Поскольку биомасса представляет собой твердое топливо, ее можно  сравнивать с углем. Теплотворная способность  сухой биомассы составляет около 14 МДж/кг. Аналогичное значение для  каменного угля и лигнита составляет 30 МДж/кг и 10-20 МДж/кг (см. таблицу далее). В момент образования (сбора урожая) биомасса содержит большое количество воды, от 8 до 20% в пшеничной соломе, 30 - 60% в древесине, до 75 - 90% в навозе сельскохозяйственных животных и 95% в  водном гиацинте. В противоположность  этому, влажность каменного угля находится в диапазоне от 2 до 12%. Поэтому плотность энергии  в биомассе на этапе возникновения  ниже, чем у каменного угля. С  другой стороны, биомасса имеет преимущества с точки зрения химического состава. Зольность биомассы значительно  ниже, чем угля. Кроме того, в золе биомассы обычно не содержатся тяжелые  металлы и другие загрязнители, поэтому  она может вноситься в почву  в качестве удобрения.

Обычно биомассу ошибочно причисляют к низкосортным видам топлива, поэтому во многих странах ее использование даже не отражается в статистических отчетах. Однако она обеспечивает большую гибкость снабжения энергоносителями ввиду большого количества видов топлива, которые могут быть из нее получены. Энергия биомассы может использоваться для производства тепловой и электрической энергии посредством сжигания в современных устройствах - от миниатюрных домашних котлов до многомегаваттных электростанций, использующих газовые турбины. Системы, использующие биомассу в энергетических целях, обеспечивают экономическое развитие без увеличения парникового эффекта, поскольку биомасса является нейтральной по отношению к выбросам СО2 в атмосферу в случае, если ее производство и использование осуществляется разумным образом. Биомасса обладает другими щадящими экологическими свойствами (малой эмиссией серы и оксидов азота) и может способствовать реабилитации деградированных земель. Растет понимание того, что использование биомассы в больших коммерческих системах основано на устойчивых, аккумулированных ресурсах и отходах и может улучшить управление природными ресурсами в целом.

Преимущества биомассы

 

Экономическое развитие сельскохозяйственных районов как в развитых, так  и развивающихся странах является одним из преимуществ использования  биомассы. Увеличение доходов фермеров и диверсификация рынка, уменьшение аграрного перепроизводства и дополнительные денежные поступления, увеличение конкурентоспособности  на международном рынке, общее оживление  экономики в сельских районах, уменьшение негативного воздействия на окружающую среду - все это является важными  факторами использования биомассы в качестве источника энергии. Новые  финансовые поступления фермеров и  сельского населения улучшают материальное положение сельских общин и могут  приводить к дальнейшей активизации  локальной экономики. Наконец, это  означает замедление темпов миграции в города, что очень важно для  многих регионов в мире.

Увеличение рабочих мест (для производства, выращивания и утилизации биомассы) и промышленный рост (развитие предприятий для производства жидких топлив, другие виды промышленности, энергетика) могут быть огромными. Например, департамент сельского хозяйства США оценил, что 17 тысяч рабочих мест создается для производства каждого миллиона галлонов этанола. В свою очередь, исследовательский институт электрической энергии оценил, что производство 5 квадриллионов Бте (Британская тепловая единица) электроэнергии на площади 50 миллионов акров увеличит доходы фермеров на 12 миллиардов долларов США ежегодно (США потребляет ежегодно 90 квадриллионов Бте). Обеспечение фермеров стабильным доходом создает новый рынок и усиливает локальную экономику, создавая циркуляцию денежных средств в локальных сообществах.

Улучшение использования аграрных ресурсов часто предлагается в ЕС. Развитие альтернативного рынка сельскохозяйственных продуктов приводит к более эффективному использованию посевных площадей, которые недостаточно используются во многих странах ЕС. В 1991 году 128 миллионов га в ЕС использовалось для выращивания зерновых. Примерно 0.8 млн га были выведены из использования в рамках программы сокращения производства. Значительно большее количество земли планируется вывести из производства в будущем. Ясно, что переориентация части этих земель для непродуктовой утилизации (например, биомасса для производства энергии) помогла бы избежать нерационального использования аграрных ресурсов. Европейское сельское хозяйство основано на производстве ограниченного количества культур, в основном использующихся в качестве пищи для людей и животных, и многие из этих культур производятся с избытком. Падение цен привело к снижению и нестабильности доходов европейских фермеров. Выращивание энергетических культур может уменьшить перепроизводство. Такие культуры могут быть конкурентоспособны по отношению к выращиванию избыточных пищевых сортов растений.

Использование биомассы

 

Растительный покров Земли  составляет более 1800 млрд. т сухого вещества, что энергетически эквивалентно 3-1022 Дж. Эта цифра соответствует  известным запасам энергии полезных ископаемых. Леса составляют 68% биомассы суши, травяные экосистемы - примерно 16%, а возделываемые земли - 8%. В целом  на Земле при помощи фотосинтеза  ежегодно производится 173 млрд.т сухого вещества, что более чем в 20 раз повышает используемую в мире энергию и в 200 раз - энергию, содержащуюся в пище всех более 4 млрд, обитателей планеты.

 Запасенная в биомассе энергия органических соединений может быть использована непосредственно в виде пищевых продуктов человеком или животными или же для получения энергии в промышленных целях.

В отличие от ископаемых топлив нетрадиционные формы энергии  не ограничены геологически накопленными запасами. Это означает, что их использование и потребление не ведет к неизбежному исчерпанию запасов.

  Основной фактор при оценке целесообразности использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии – стоимость производимой энергии в сравнении со стоимостью энергии, получаемой при использовании традиционных источников. Особое значение приобретают нетрадиционные источники для удовлетворения локальных потребителей энергии.

 

Необходимость развития технологий получения энергии

 

Неоспоримая роль энергии  в поддержании и дальнейшем развитии цивилизации. В современном обществе трудно найти хотя бы одну область  человеческой деятельности, которая  не требовала бы, прямо или косвенно, большей энергии, чем могут дать мускулы человека.

 Потребление энергии – важный показатель жизненного уровня. В те времена, когда человек добывал пищу, собирая лесные плоды и охотясь на животных, ему требовалось в сутки около 8 МДж энергии. После овладения огнем эта величина возросла до 16 МДж; в примитивном сельскохозяйственном обществе она составляла 50 МДж, а в более развитом – 100 МДж.

В мировой энергетике необходимо развивать новые технологии и  вкладывать в это деньги. Запасы ископаемых невечны, всегда должен быть альтернативный источник энергии. Поэтому будущее энергетики за нетрадиционными источниками энергии.