Текст книги "Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз. Теория и практика. Монография"

5. БИОГАЗИФИКАЦИЯ ОСТАТОЧНОЙ НЕФТИ (21.5 млрд. тонн извлекаемой нефти с 1965 г.– 43 года),

6. ДОБЫЧА МЕТАНГИДРАТОВ (общие запасы – 10 трлн. тонн или 1 блрд. куб. м).

Более того, Россия в ближайшем будущем может поставлять 510 % мирового рынка биотоплив (т.з. западных экспертов). Потенциальные возможности России в плане широкомасштабного производства биотоплив огромны, но в настоящее время ее отставание от ведущих стран достаточно велико.

Важная роль в решении указанных проблем на современном этапе развития мировой экономики также отводится производству и использованию биотоплив.

Может ли фотосинтез на территории России обеспечить достаточный вклад биомассы в энергетику страны без ущерба природопользованию? МОЖЕТ!!!

По данным американских экспертов (конец 80-х годов ХХ столетия) для США вклад биомассы в энергетику страны не должен превышать 15 % от общего энергобаланса.

Если оценивать потенциальные возможности современной России по вкладу растительной биомассы в энергетику, то эта цифра составит 255 млн. ту.т., или 1 млрд. куб. м общей древесины в год. Отходы – 222 млн. ту.т.

То есть ежегодно нужно будет вырубать 1/80 лесного массива России, или на восстановление допускается 80 лет.

Совместно с потенциальными возможностями АПК (только отходы) общий объем биотоплива к 2020 г. может составить 376 млн. ту.т

Швеция_при площади лесов 226 тысяч кв. км ежегодно заготавливает 80 млн. куб. м стволовой древесины.

Если это соотношение экстраполировать на площадь лесов России, то ежегодная заготовка стволовой древесины может составлять 2.96 млрд. куб. м, или 1.48 млрд. тонн, что по энергосодержанию равно 740 млн. т у. т./год.

Энергосодержание отходов лесосеки и деревообработки может составить 670 млн. ту.т.

Итого: 824 млн. ту.т.(с АПК)

Таблица.1-10

Виды российских биотоплив, тип сырья, внутреннее потребление и экспорт

Сырьевые возможности российской биоэнергетики не уступают ископаемым углеводородам: нефти, газу и углю.

Это энергетическая и продовольственная безопасность России.

Совершенно очевидно, что проблемами российской биоэнергетики должно активно заниматься государство, разработав соответствующую государственную программу с правовым ее обеспечением.

Известный русский микробиолог, член-корр. АН СССР С.И. Кузнецов и созданная им научная школа в 60-х – 70-х годах ХХ столетия экспериментально обосновали, что процессы деструкции органических веществ до метана имеют широкое распространение в осадочных отложениях в настоящее время и что промышленные месторождения природного газа – продукт биологических процессов, протекавших ранее. [45].

Промышленный эксперимент, проведенный С. И. Кузнецовым на нефтепромыслах Поволжья в 1956 г. по использованию биогазовых технологий для увеличения дебита оставшейся в залежах нефти объединил биологию и большую энергетику, и, фактически, был «предтечей» создания Отечественной (но возможно и мировой) биоэнергетики. Становление отечественной Промышленной Биоэнергетики в СССР было связано с крупномасштабным применением биогазовых технологий для решения ряда народнохозяйственных задач: эффективной переработки осадков сточных вод больших городов-миллионников, таких, как г. Москва, и промышленного производства кормового препарата витамина В-12 с целью повышения эффективности откорма и продуктивности отечественного животноводства и птицеводства.

Теория биологического происхождения природного газа и современные научные и технические достижения еще в 1964 г. позволили сделать вывод о возможности промышленной биоконверсии биомассы в метан в масштабах достаточно близких к современной добыче природного газа.

Метан, как ископаемый, так и образующийся в современной биосфере, является конечным продуктом сложной цепочки превращения продуктов фотосинтеза в анаэробных, без доступа воздуха, условиях.

То есть, «новейший» метан современной биосферы и, возможно, значительная часть разведанного ископаемого метана содержит в себе законсервированную энергию Солнца.

nCO₂ + nН2О (энергия солнца) → (СН2О)n + nО2 фотосинтез

(СН2О)n + n Н2О (анаэробный биопроцесс) → nСН4 + nCO₂

Важное место в решении этих задач современной биоэнергетики играют биогазовые технологии, одновременно решающие проблемы: экологии, энергетики, агрохимии и сельскохозяйственного производства, социальные.

Какой же вывод следует из всего вышесказанного?

От существующих технологий производства энергии необходимо постепенно переходить к технологиям, основанным на использовании ЭНЕРГИИ СОЛНЦА И ЕЕ ПРОИЗВОДНЫМ (ветер, биомасса, гидро– и т. д.), которые позволят сохранить круглогодичный баланс СО₂ в атмосфере в соответствии с коротким циклом круговорота углерода и одновременно, минимизировать тепловое загрязнение атмосферы за счет производства тепловой энергии.[1-45].

БИОМАССА ЯВЛЯЕТСЯ ПОСТОЯННО ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМ ИСТОЧНИКОМ ТОПЛИВА.

Академик А.И. Опарин.

1901–1968 г

Академик В.Н.Шапошников

1894 – 1980 г.

Академик Н.Д. Иерусалимский

1901 – 1967 г.

Академик Е.Н. Кондратьева

1925 – 1995 г.

Чл. – корр. АН СССР С.И Кузнецов

1900–1987 г.

Чл. – корр. АН СССР В.Н.Букин

1899 – 1979 г.

Рис. 1–7. Отечественные ученые и специалисты – основатели промышленной биоэнергетики СССР.

Академик АН СССР В.Н. Шапошников; член. – корр. АН СССР С.И. Кузнецов; Академик АН СССР А.И. Опарин; член-корр. АН СССР В.Н. Букин; Академик АН СССР Н.Д. Иерусалимский; академик АН СССР Е.Н. Кондратьева; инженер-технолог И.С. Логоткин; профессор В.Я. Быховский; доктор биологических наук Е.С. Панцхава.

Инженер-технолог Логоткин И.С

1902 – 1985 г.

Проф., д-р биол. наук Быховский В.Я

1935 – 2001 г.

Панцхава. Е.С.

Международный опыт по масштабной реализации биотехнологий в энергетике требует активного содействия государственных структур и разработки соответствующих государственных программ.

Государственная программа должна скоординировать и объединить усилия специалистов науки и КБ, а также машино-строительные предприятия и компании по широкому внедрению ВИЭ в регионах страны.

Потенциальные объемы производства биотоплив из биомассы в России в ближайшие десятилетия могут составить в год около 1500 млн. ту.т./год, и не будут уступать объемам ежегодной добычи нефти, угля или природного газа, годовой энергобаланс России – более 1600 млн. ту.т.

Россия обладает большим опытом промышленного производства биотоплив из биомассы. СССР было первой страной в мире, которая в конце 60-х годов прошлого столетия освоила широкомасштабное промышленное производство биотоплив (биобутанола, биоэтанола, биоацетона, биоводорода и биогаза) из биомассы (мелассы-отхода сахаро-производства из сахарной свеклы).[1-45].

В настоящее время ежегодный объем производимых органических отходов агропромышленного комплекса (АПК) и городов по всем регионам России в сумме составляет почти 700 млн. тонн (260 млн. т по сухому веществу):

350 млн. т (53 млн. т с.в.) – животноводство,

23 млн. т (5.75 млн. с.в.) – птицеводство,

220 млн. т (150 млн. т с.в.) – растениеводство,

30 млн. т (14 млн. т с.в.) – отходы перерабатывающей промышленности,

32,5 млн. т – деревообработка

56 млн. т (28 млн. т с.в.) – твердые бытовые отходы.

Из этого количество отходов можно ежегодно получать до 73 млрд. куб. м биогаза (57 млн. тут.), до 90 млн. тонн пеллет или 75 млн. т «сингаза», который можно конвертировать в 160 млрд. куб. м водорода, а также получить до 330 тысяч тонн этанола, или до 88 млн. куб. м водорода и до 165 тысяч тонн растворителей (бутанола и ацетона).[1-45].

Сельское население России, согласно последней переписи, составляет 39 миллионов человек. Для обеспечения этого количества сельского населения газообразным топливом (приготовление пищи, горячая вода, отопление 8 месяцев) потребуется в год до 14.2 млрд. куб. м.

Современное сельское хозяйство России потребляет в год 2 млн. т бензина и 4.8 млн. т дизельного топлива.

По многолетним исследованиям советских и российских специалистов 1 л бензина или д. т. может быть заменен 1 куб. м природного газа в сжатом состоянии. 1 куб. м пр. газа эквивалентен 2 куб. м биогаза.

Для нужд транспорта и с/х машин потребуется для замещения традиционного топлива до 17 млрд. куб. м биогаза, для всего АПК – 31.2 млрд. куб. м

Биоэнергетика – это энергетические технологии и оборудование для переработки биомассы. Биотехнологии заложены в основу энергетических технологий, из чего следует, что энергетические технологии первичны к биотехнологии. Используя только биологические технология невозможно решить задачи стоящие на сегодняшний день перед малой энергетикой – «Биоэнергетикой».

Развивающаяся российская «Биоэнергетика» по своей масштабности и значимости решает более широкий круг вопросов, лишь частично сопряженных с биотехнологией.

Как свидетельствует мировой опыт, биоэнергетика должна развиваться как самостоятельный сектор экономики в рамках «большой» российской энергетики и в рамках Государственной программы по развитию биоэнергетики (далее – Госпрограмма).

При выполнении задач Доктрины продовольственной безопасности произойдёт увеличение поголовья крупного рогатого скота, свиней и птицы, что приведет к резкому увеличению отходов до 1200 млн. тонн.

Биоэнергетика позволит так же решить задачи переработки отходов лесопромышленного, пищеперерабатывающего комплексов, стоков ЖКХ.

Перед страной поставлена серьезная задача по увеличению использования ВИЭ в общем объеме производства энергии с 1 % до 4,5 % к 2020 году. Решение поставленных задач на 80 % возможно за счет биоэнергетики.

1-1.Энергетическая стратегия России на период до 2020 года, www.wood-pellets.com.

1-2.Панцхава Е.С., Будущее мировой энергетики-водород биофотолиза воды, Энергия, № 10, 2011, стр. 11-17

1-3.Михайлов А, Кризис изобилия, g. Газета. гц.

1-4.Терентьев Г.А. и др., Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов., Химия, 1989 г.

1-5.Кузнецов Б.Н., Моторные топлива из альтернативного нефти сырья., Химия 2000, www.pereplet.ru.

1-6.Количество легковых автомобилей в России на середину 2010 года. serega.icnet.ru.

1-7.Прогноз потребления МТ РФ 2008–2017..www.rsppenergy.ru.

1-8.Материал из Википедии – свободной энциклопедии, ru.wikipedia.org.

1-9.Средний пробег российского автомобиля – 16 700 км в год (Новости autokadabra.ru.

1-10.Анализ рынка дизельного топлива в России в 2006–2010 гг, прогноз на 2011–2015 гг, www.sakhalin.biz.

1-11.Производство дизельного топлива в России в 2012 г., portnews.ru.

1-12.Прогноз потребления МТ РФ 2008–2017.Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.

1-13. Минэнерго: добыча нефти в России в 2012 году достигнет рекордных 516–518 млн тонн., www.gazeta.ru.

1-14.Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН), www.expert.ru.

1-15.Производство авиационного керосина в России составляет около 9 млн тонн в год, www.maгketing.гbc.гц.

1-16..Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.

www.transday.ru.

1-17. Airline Industry Forecast (Airline Industry Forecast 20122016, IATA), www.iata.org.

1-18. Росавиация: По итогам 2011 года количество пассажиров составит около 110 млн., www.finam.ru.

1-19. Алексей Синицкий, Итоги работы гражданской авиации России в 2011 году, www.ato.ru.

1-20.Теплоснабжение Российской Федерации в цифрах,

www.rosteplo.ru

1-21. Теплоснабжение Российской Федерации в цифрах,

www.rosteplo.ru

1-22.В 2013 году производство тепловой энергии в России, inmarket.ru.

1-23.Эненргетика России сегодня и завтра, www.ecoatominf.ru.

1-24. «ВНИПИэнергопром», www.expert.energosovet.ru.

1-25. Стоимость различных энергоносителей, используемых для отопления и их затраты для получения 1 кВт тепловой энергии, www.prokotel.ru

1-26.Зоны централизованного и распределительного тeплоснабжения России, www.omc.zouo.ru

1-27.Потребление электроэнергии на жителя г. Москвы, s.mos.ru.

1-28.Анализ итогов деятельности электроэнергетики за 2011 год, прогноз нп 2012 год, minenergo.gov.ru.

1029.Воронин В.П, Перспективы развития электроэнергетики в условиях либерализации газового рынка, www.rao-ees.ru.

1-30. На Абаканской ТЭЦ установлен рекорд производства электроэнергии www.sibgenco.ru/news/item-164

1-31. Когенерация – комбинированный процесс одновременного производства тепла и электроэнергии., www.energycenter.ru.

1-32. Альтернативная энергия в США, www.omc.zouo.ru.

1-33.Крекинг нефти, www.energyfuture.ru.

1-34.Кузмичев В., В России заканчивается нефть, Росбалт, 05/01/2012

1-35.Институт нефтегазовой геологии и геофизики им А.А. Трофимука СО РАН, www.expert.ru.

1-36.Хайтун А., Россия на энергетическом рынке Европы, www.opec.ru.

1-37.Корытина Е., «Нефть за 3 доллара» Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки..

1-38.Нтересных фактов о нефти, которых вы не знали, vseobefti.ru.

1-39. Стоимость добычи нефти в России, rusanalit.livejournal.com.

1-40.Скорецкий Э., Цена нефти, www.port-folio.org.

1-41. Калашников М., Нефтяной кризис в РФ неминуем, newsland.com.

1-42.НиколаевГ., Будет ли переворот в энергетике? „Наука и жизнь“ №

9 Наука на марше, www.nkj.ru.

1-43.Изменение климата и необходимость замены ископаемых видов топлива, Solar Biofuels The Consortium, NATURE 395 (1998) 881884.)

1-44. Steady as she goes, in The Economist: London.,2006, p. 65–67.

1-45. Е.С. Панцхава и др., Биогазовые технологии, МГУИЭ, Центр «ЭКОРОС» Москва,2008.

1-46. Эксперт: Через семь лет нефти в России станет меньше… news.rambler.ru.

1-47. Нефть – Википедия., ru.wikipedia.org.

1-48. Кризис изобилия Алексей Михайлов эксперт Центра экономических и политических исследований (ЭПИцентр), g. Газета.т.

1-49. Крупнейшие экспортёры и импортёры нефти., Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.

1-50. Китай в 2012 году увеличил импорт нефти на 6,8 проц., Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.

1-51. Расклад сил на мировом рынке нефти., Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.

1-52. Немного o биотопливах., www.zelife.ru.

Глава 2. Биомасса

Научно-техническое промышленное направление «Получение твердого, жидкого, газообразного топлив, электрической и тепловой энергий из биомассы посредством термохимических технологий и биотехнологий» относится к общеэнергетической проблеме «Промышленная биоэнергетика».

Решение проблем Биоэнергетики определяется развитием таких направлений, как:

1. изыскание и создание крупномасштабных, высокопродуктивных источников биомассы (фотосинтез, производство древесной биомассы, промышленное разведение растений – продуцентов углеводородов, производство углеводсодержащей непищевой биомассы, производство водной биомассы, использование твердых отходов городов);

2. биотехнологическая конверсия (получение этилового и других спиртов, органических кислот, растворителей из различных видов биомассы, получение биогаза и водорода;

3. термохимическая конверсия (прямое сжигание, газификация, пиролиз, сжижение, фест-пиролиз, синтез) для получения жидкого, твердого и газообразного топлива (рис. 1).

Содержание биомассы в биосфере оценивается в 800 млрд. т [21], причем 90 % приходится на древесину, из них 70 млрд. т накапливается в континентальных лесах с общим энергосодержанием, втрое превышающим современное мировое потребление энергии.

Для сравнения – разведанные запасы угля оцениваются в 500 млрд. т, нефти – 200 млрд. т, природного газа -100 млрд. т (по углю) [2-16].

Биомасса – продукт фотосинтеза – самого мощного на планете преобразователя солнечной энергии – и последующей многообразной пищевой цепочки, основной источник топлива и энергии, включая и ископаемые органические топлива, как конечный продукт переработки древнейшей биомассы.

Биомасса – это растительный и животный мир и продукты их физиологической и технической переработки, включая многочисленные органические отходы. Биомасса или Биоресурсы – это мощный потенциальный мировой источник топлив и сырья для химии.

Биомасса, как производная энергии Солнца в химической форме, является одним из наиболее популярных и универсальных ресурсов на Земле. Она позволяет получать не только пищу, но и энергию, строительные материалы, бумагу, ткани, медицинские препараты и химические вещества. Биомасса используется для энергетических целей с момента открытия человеком огня. Сегодня топливо из биомассы может использоваться для различных целей – от обогрева жилищ до производства электроэнергии и топлив для промышленности и сельского хозяйства.

Биомасса является биологическим материалом фауны и флоры земной биосферы. И рассматривается как возобновляемый источник энергии автомобилей. [2–2,2-3]

Биомассы может использоваться непосредственно, либо косвенно при превращении в другой вид энергии, например, в различные виды биотоплив. Человечество использует биомассу с древних времен как источник энергии. В наше время этот термин может быть упомянуты в двух смыслах В первом смысле, растительная биомасса используются либо для выработки электроэнергии (с помощью паровых турбин или газогенераторы), или для производства тепла (через прямое сжигание). Древесина и древесные отходы остаются основным источником энергии биомассы сегодня.

Во втором смысле, она включает биомассу растительного и животного происхождения, которая может быть преобразована в химические и энергетические продукты, включая биотопливо. К промышленной биомассе относятся различные виды растений: мискантус, просо, конопля, кукуруза, тополь, ива, сорго, сахарный тростник, бамбук, и различные породы дерева, начиная с эвкалиптом, чтобы пальмового масла (пальмовое масло).

За последние десять лет производство этих растений увеличилась на 14 % В США, альтернативные источники электроэнергии производят около 13 % электроэнергии;. Биомасса обеспечивает приблизительно 11 % от альтернативных производств энергии.

В настоящее время энергетические потребности мира составляют ~ 11–12 млрд. т условного топлива (у. т.) и удовлетворяются за счет нефти и газа на 58–60 %, угля – на 30 %, гидро– и атомной энергии – на 10–12 % [2–4]. Разведанные запасы нефти, угля и газа приведены в табл. 1 и 2 [2–5].

В качестве источника энергии используется также растительная биомасса [2–6] (дрова и др.) – порядка 1 млрд. т у.т., или 0,7 млрд. т нефтяного эквивалента (н. э.), что составляет почти четвертую часть из добычи и потребления нефти в мире (~3 млрд. т).

Потребность в нефти и других видах современной энергии, вероятно, будет увеличиваться и одновременно будут усовершенствоваться методы энергетического использования растительной биомассы (помимо прямого сжигания.

Таблица. 2-1

Мировые запасы горючих ископаемых, пригодные для индустриальной добычи, млрд. т н. э.

Таблица. 2-2

Извлекаемые запасы горючих ископаемых и прирост биомассы. млрд. т н. э., [2–6, 2–9, 2-11]

Применение возобновляемой растительной биомассы для производства моторных топлив целесообразно и даже необходимо в связи с ограниченностью запасов нефти. По данным XIII Нефтяного конгресса (1991 г.) [2-11], разведанные запасы нефти в мире оцениваются в 140145 млрд. т (160 млрд. м³), которых при современном потреблении нефти в мире может хватить на 35–45 лет.

По отдельным регионам проблемы с запасами нефти стоят более остро: 76 % запасов находится на Ближнем и Среднем Востоке, в Латинской Америке. На остальные регионы остается 24 %, из которых 67 % приходится на СНГ. Учитывая уровень добычи нефти в 1990 г., этих запасов может хватить на 15–18 лет.

Потребность нефти в Российской Федерации – 270–300 млн. т, в целом по СНГ – 450 млн. т (для сравнения – США потребляют около 800 млн. т нефти). В дальнейшем потребление нефти в мире будет возрастать, поэтому, учитывая дефицит нефти, необходимо развивать новые пути получения жидких моторных топлив. Производство моторных топлив из твердых горючих ископаемых не слишком обширно. Так, в ЮАР получают 5 млн. т моторных топлив, для чего затрачивается 27–30 млн. т бурого угля. Эта технология основана на парокислородной газификации угля и получении моторных топлив из синтез-газа на железном катализаторе. Производство синтетических топлив в крупных масштабах с целью замены нефти представляет трудную задачу. Для производства 150 млн. т синтетических топлив (1/2 потребности России) понадобилось бы около 1 млрд. т бурого угля (добыча угля в 1990 г. в Советском Союзе составила около 700 млн. т, в США -800 млн. т).

Доступным и возобновляемым сырьем для производства синтетических моторных топлив является биомасса растений. Например, в Канаде лесная и лесоперерабатывающая промышленность более 70 % необходимой энергии получает из отходов древесины (газификацией и другими методами). В Советском Союзе в период 1940–1950 гг. были созданы установки, работавшие на лесных и сельскохозяйственных отходах при их газификации воздухом с получением газообразного моторного топлива. Ежегодный прирост биомассы растений на Земле составляет от 170 до 200 млрд. т, считая на сухое вещество, что в пересчете на нефтяной эквивалент соответствует примерно 70–80 млрд. т [2–9, 2-10].

В связи с дефицитом нефти целесообразно использовать местные виды топлив – растительную биомассу, бурый уголь, торф, сланцы, различные твердые органические отходы (мусор в городах) при переработке в жидкое топливо. Общее количество различных твердых органических отходов (лесодобыча и лесопереработка, сельское хозяйство, промышленность, бытовой мусор в городах) может быть очень велико. Например, в США оно достигает 1–1,2 млрд. т в год. Из этого количества можно получить около 1/4 моторных топлив, т. е. более 100 млн. т. Однако большая часть отходов не используется, некоторую часть применяют для получения биогаза (смесь СН₄ с СО₂), другая часть сжигается.

Например, фирма “Боинг” сжигает биомассу (отходы древесины и городской мусор) для получения примерно 60 % тепла, необходимого для обогрева завода “Боинг” площадью 550 тыс. м² являющегося крупнейшим в мире производственным комплексом [2-12].

Ресурсы ежегодно возобновляемой растительной биомассы энергетически в 25 раз превышают добычу нефти. В настоящее время сжигание растительной биомассы составляет ~10 % от потребляемых энергоресурсов (примерно 1 млрд. т у. т.), в будущем ожидается существенное расширение использования биомассы в виде продуктов ее переработки (жидких, твердых топлив и др.), и в первую очередь отходов, которые скапливаются и разлагаются, загрязняя окружающую среду [2-13].

Биомасса перерабатывается в топливные и химические продукты различными методами: пиролизом, гидролизом, газификацией, гидрогенизацией и др. Эти процессы осуществляются на передвижных или стационарных установках.