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

Топлива из биомассы не содержат серу. Топлива получаются из газов газификации биомассы воздухом при невысоком давлении и температуре… 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 %. В качестве источника энергии используется также растительная биомасса (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). 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.), разведанные запасы нефти в мире оцениваются в 140–145 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 остаестся 24 %, из которых 6–7% приходится на СНГ. Учитывая уровень добычи нефти в 1990 г., этих запасов может хватить на 1518 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. [3-49].

Энергетический бюджет мира углеродный: за счет нефти, угля и газа более 70 % производимой энергии. Это вдвойне опасно, поскольку не только ведет к повышению концентрации диоксида углерода в атмосфере, но и чревато истощением источников энергии. Мировое сообщество предпринимает активные попытки снизить зависимость энергетики от ископаемого топлива. Одно из новых направлений развития современной энергетики – использование биотоплива. [3-50].

Критика. Растущий спрос на биотопливо вынуждает сельхозпроизводителей сокращать посевные площади под продовольственными культурами и перераспределять их в пользу топливных.

Но такие заявления противников биотоплив не совсем корректны.

При производстве этанола из кормовой кукурузы барда используется для производства комбикорма для скота и птицы. При производстве биодизеля из сои или рапса жмых используется для производства комбикорма для скота. То есть производство биотоплива создаёт ещё одну стадию переработки сельскохозяйственного сырья

По расчётам экономистов из Университета Миннесоты, в результате биотопливного бума число голодающих на планете к 2025 году возрастёт до 1,2 млрд. человек. Но, продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (FAO) в своем отчете за 2005 г. говорит о том, что рост потребления биотоплив может помочь диверсифицировать сельскохозяйственную и лесную деятельность, и улучшить безопасность пищевых продуктов, способствуя экономическому развитию. Производство биотоплив позволит создать в развивающихся странах новые рабочие места, снизить зависимость развивающихся стран от импорта нефти. Кроме этого производство биотоплив позволит вовлечь в оборот ныне не используемые земли. Например, в Мозамбике сельское хозяйство ведётся на 4,3 млн га из 63,5 млн га потенциально пригодных земель.

Распространение. По оценкам Worldwatch Institute в 2007 году во всём мире было произведено 54 миллиарда литров биотоплив, что составляет 1,5 % от мирового потребления жидких топлив. Производство этанола составило 46 миллиардов литров. США и Бразилия производят 95 % мирового объёма этанола. [3-50].

Экономический эффект. По оценкам Merrill Lynch прекращение производства биотоплив приведёт к росту цен на нефть и бензин на 15 %. По оценкам Стэндфордского университета во всём мире из сельскохозяйственного оборота выведено 385 – 472 миллиона гектаров земли. Выращивание на этих землях сырья для производства биотоплив позволит увеличить долю биотоплив до 8 % в мировом энергетическом балансе. На транспорте доля биотоплив может составить от 10 % до 25 %. Производство биотоплива из продовольственного сырья недопустимо, получать его нужно из любых органических отходов и древесины быстрорастущих пород. [3-50]

Существуют три основные проблемы в использовании биотоплива в качестве топлива для автомобильного транспорта:

1) Биотопливо должно быть произведено с минимальными выбросами CO₂ и других воздействий на окружающую среду.

2) Биотопливо должно быть «пригодным для целей» без экологических для транспортных средств оперативных последствий.

3) производство биотоплива не должно конкурировать с производством продовольствия.

В частности, компания Toyota изучает биотоплива второго поколения из древесины или соломы. Это обещает ряд преимуществ, среди которых не вызывает затруднений использования в существующих транспортных средств и перспектива еще большего сокращения выбросов парниковых газов.

Совместимость ДВС с применением Биотоплива [3-51]. Совместимость автомобилей марки Toyota и Lexus, произведенных для европейского рынка с использованием смеси биотоплива:

Бензин (статус июля 2010 года) Toyota: Все европейские модели с января 1998 года могут использовать бензин с более 10 % этанола (E10), за исключением следующих моделей:

Avensis 2.0 L с двигателем 1AZ-FSE сделаны в период с июля 2000 года по октябрь 2008 года;

Avensis 2.4 L с двигателем 2AZ-FSE между июне 2003 года и октябре 2008 года. Lexus: Все европейские модели с января 1998 года могут использовать бензин с 10 % этанола (E10), за исключением следующих моделей:

IS250 2.5 L V6 с двигателем 4GR-FSE сделаны в период с августа 2005 года по сентябрь 2007 года;

GS300 3.0 L V6 с двигателем 3GR-FSE период с января 2005 года по сентябрь 2007 года, и

LS460 4.6 L V8 с двигателем 1UR-FSE между августом 2006 года и сентябре 2007 года.

Все бензиновые автомобили Toyota и Lexus, которые не совместимы с E10 могут использовать бензин с 5 % этанола (E5).

DIESEL (по состоянию на июль 2010 г.) Все европейские дизельные модели Toyota и Lexus совместимы с B7 Европейского стандарта EN590: 2009.

Директива 2003/30/EC Европейского Парламента и Совета от 8 мая 2003 года о продвижении использования биотоплива и других возобновляемых видов топлива для транспорта. [3-52].

16/10/2007 Директива требует, чтобы государства члены приняли законодательство и необходимые меры для обеспечения того, чтобы биотопливо (жидкое или газообразное топливо, используемое для транспортировки и производимый из биомассы, то есть биологически разлагаемые отходы и остатки, например, сельское и лесное хозяйство) в минимальных долях от проданного топлива на своей территории использовалось.

В контексте устойчивого развития в Европе и в Зеленой книге "На пути к европейской стратегии энергетической безопасности", Комиссия предлагает подлинный план действий, направленный на увеличение доли биотоплива до более чем 20 % европейского бензина и дизельного топлива для потребление в 2020 году.

По прогнозам в Зеленой книге, транспортный сектор будет расти примерно на 2 % в год в течение ближайшего десятилетия. Тем не менее, более широкого использования биотоплива на транспорте является частью пакета мер, необходимых для соблюдения Киотского протокола.

Конечной целью является снизить зависимость от использования нефтяного топлива, которое является существенной причиной для беспокойства для Европейского Союза (ЕС) в отношении окружающей среды и безопасность поставок.

Более подробно технологии переработки биомассы в топливо описаны в главе 4.

3.11.1. Прямое сжигание – древнейший, но наименее выгодный процесс с КПД получения тепловой энергии 15… 18 %.

3.11.2. Пиролиз термохимическая конверсия сырья без доступа воздуха при температуре 450…550 °C.

3.11.3. Газификация – сжигание биомассы при температуре 900… 1 500 °C в присутствии воздуха или кислорода и воды.

3.11.4. Сжижение – производство жидкого топлива из биомассы путем термической конверсии: термический пиролиз или газификация в присутствии катализаторов.

3.11.5. Быстрый пиролиз – биомасса в течение короткого времени подвергается воздействию экстремально высоких температур (700… 1 400 °C).,

3.11.6. Синтез – каталитический синтез метанола из газов, образующихся при термической конверсии биомассы.

К биотехнологиям относятся такие процессы, как: биогазовые технологии; производство этанола, бутанола, изобутанола; получение биодизельных топлив, жирных кислот, растительных углеводородов; производство биоводорода, получение тепловой энергии.

3.12.1. Биогазовые технологии. Биогаз – смесь метана и углекислого газа – продукт метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения

3.12.2. Производство этанола. Этанол, а также другие низшие спирты, альдегиды и кетоны – продукты спиртового брожения разнообразных сахаро– и крахмалосодержащих субстратов.

3.12.4. Биодизельное топливо имеет те же характеристики, что и обычные дизельные масла, которые могут использоваться в дизельных двигателях.

3.12.5. Получение тепловой энергии активным компостированием (микробное окисление). 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.

Одна из особенностей решения этой проблемы в ХХI веке состоит в том, что энергопроизводство должно быть экологически чистым.

Таблица. 3-5

Прогноз роста скоростей вклада возобновляемых источников энергии в мировой энергетический баланс (%) [3–5]

Скорость прироста вклада биомассы в энергобаланс мира намного меньше, чем у других типов возобновляемых источников энергии. Но вклад биомассы в 2001 году составлял 1.1–1.2 млрд. тонн нефтяного эквивалента (н. э.) при общем вкладе всех ВИЭ – 1.36 млрд. тонн н. э. при общем производстве энергии в мире – 10 млрд. тонн н. э.

К 2040 году общее потребление энергии в мире прогнозируется на уровне 13.5 млрд. тонн н. э. (100 %), вклад всех ВИЭ к этому периоду – 47,7 % или 6.44 млрд. тонн н. э., тогда как вклад биомассы составит 23,8 % или 3.21 млрд. тонн н. э. [3–5].

В последние годы в опубликованных многочисленных глобальных энергетических сценариях была включена устойчивая роль возобновляемой энергетики для энергетической обеспеченности, и вклад биомассы для этих целей может составить:

от 59 до 145 х 10¹⁸дж к 2025 году и от 94 до 280 х 10¹⁸дж к 2050 г.

В 2003 году вклад биомассы в общий энергобаланс Европейского Союза (15 стран) составил 3,6 %, что несколько выше, чем все остальные возобновляемые источники энергии (3,4 %), но их доля различна: так, в Австрии она равна 12, в Швеции – 18, в Финляндии – 23 %.

К 2030 году этот вклад планируется увеличить до 19 % (27 стран ЕС). [3-53].

Таблица. 3-6

Рост вклада биомассы в общее потребление энергии в отдельных станах. [3–6]

Основные направления использования биомассы в целях энергетики Европейского Союза [7]:

1. Производство пеллет и древесной щепы (прямое сжигание).

2. Газификация и пиролиз («синтез»– газ или по– европейски – «син-газ»», метанол для транспорта).

3. Производство биоэтанола.

4. Производство биодизельного топлива.

6. Производство биоводорода.

7. Производство биогаза

Таблица. 3–7. Перспективы потребления биотоплив в Европе.

2000 – 0.9 млн. тонн нефт. экв./год

2005 – 5.0 «««

2010 – 17.0 «««

2020 – 37.0 «««

при стоимости 350–450 Евро за 1 тонну нефтяного эквивалента.

Большая часть накапливаемой биомассы, постепенно трансформируясь, главным образом, в результате сложных трофических (пищевых) связей, в конечном итоге окисляется до СО₂. По законам сохранения энергии этот процесс сопровождается выделением энергии, которая рассеивается в окружающую среду.

Глобальные экологические тенденции подталкивают к более совершенным и безопасным для здоровья человека способам производства, к уменьшению отходов, к уменьшению загрязнений от транспорта, к сохранению естественных ландшафтов и лесов, к рассредоточенному производству энергии и сокращению эмиссии парниковых газов [3–8].

Важная роль в решении этих проблем отводится производству и использованию биотоплив.

В 2000 году мировой рынок биотоплив оценивался в сумме 866 миллионов долл. США. В 2004 году он составил 1.28 млрд долл. И к 2013 году – 2.14 млрд. долл. США.

Прогнозируется, что во втором десятилетии в производство биотоплив будет инвестировано около 18 млрд. долл.

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 [3–9]. 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 6 000 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 [3-10].

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 1 600 систем газификации мощностью 16 МВт главным образом для получения электроэнергии в сельской местности. Для Индии потенциальные возможности использования багассы оцениваются в пределах 2 800…5 100 МВт.

В Китае к 2010 г. планировалось 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 Европейского Союза (ЕС) также активно размещают системы газификации биомассы. В 1990 г. их мощность составляла 15 МВт., к 2000 г. планировалось довести эти мощности до 20…30 МВт, а к 2005 г. до 50…80 МВт.

В ЕС активно совершенствуются энергоконвертирующие системы с учетом их экологической безопасности. В Австрии уже имеется около 100 местных современных топливных систем мощностью 1 200 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 10.¹⁵ Дж [3-11].

В последние годы вновь повысился интерес к биотопливам, особенно к этиловому спирту. Ведущими странами по его производству и топливному использованию являются Бразилия и США. В меньших объемах этанол для целей энергетики производят в Аргентине (220 Мл/год), Зимбабве [3–2], Кении [3–7,3-8], Малайзии (6 Мл/год). В ЕС опыты по применению биоэтанола в транспорте были проведены в Германии, Италии, Швеции и Франции.

Как отмечалось ранее [2], Бразильская программа по использованию этанола – наиболее масштабная в мире – начала действовать с 1975 г. В настоящее время Бразилия ежедневно замещает этанолом до 250 000 баррелей импортируемой нефти. В момент наивысшей реализации этой программы (конец 1980 г.) 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. Начиная с 1976 г., 140 млн м³ бензинового эквивалента было замещено этанолом, что оценивается в 50 млрд долл.

На фоне некоторого снижения использования этанола как топлива в Бразилии заметно растет интерес к нему в США – втором мировом лидере по масштабному изготовлению этанола для нужд автотранспорта. В 1994 г. его производство оценивалось в 5,3 млрд л (1,4 млрд галлонов США) и дополнительно строились новые предприятия по выпуску этанола в объеме 908 млн л (240 млн галлонов). Предусматривается дальнейшая экспансия, так как этанол входит в октановый рынок, и как «чистое» топливо производится теперь в 21 штате; этанолбензиновая смесь (газохол) составляет 10 % топливного рынка США и используется более чем в 100 млн двигателей (20). Сотрудники

General Energetic Council (GEC) отметили, что в 2005 г. около 5 млн автомобилей использовали этанол как нефтяное топливо.

Департамент энергетики США планирует изготовлять этанол из биогидролизатов (ферментное расщепление целлюлозы) древесины при стоимости 0,79 долл. за галлон (0,2 долл. за 1 л) в 2005 г. и 0,56 долл. за галлон (0,14 долл. за 1 л) в 2030 г., а также в 2005 г. увеличили его производство методом ферментативного гидролиза до 9 млрд л и к 2030 г. довести его до 85 млрд л [3-11].

К другой группе жидких биотоплив, вызывающих коммерческий интерес в США, Канаде и ЕС, относится биодизельное топливо. В соответствии с изложенным используются четыре 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 коммерческое 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 произвоству биодизельного топлива в объеме 60 тыс т/год.

В США этой проблемой занимается специально созданный национальный биодизельный совет по коммерциализации и индустриализации биодизельного топлива. Планируется на 20 % заменить обычное дизельное топливо биодизельное и использовать его на морских судах, городских автобусах и в малой индустрии [3-12];

Несмотря на увеличивающийся интерес к биодизельному топливу, его рынок пока еще ограничен из-за высоких цен и требований к растительным пищевым маслам. Но этот вид топлива может играть важную роль в сельских районах развитых стран.

Производство пеллет включает 5 основных стадий: складирование и подготовка сырья; сушка сырья до влажности 18–19 %; производство пеллет; охлаждение теллет; упаковка и складирование.

Характеристика пеллет: энергосодержание – 17–18 МДж/кг; плотность 650–700 кг/куб. м; диаметр – 6-16 мм; длина – 20–30 мм; содержание золы – 0.4–1.0 %; влажность – 7-12 % 3 м ³ древесных пеллет по энергосодержанию эквивалентны 1 м³ нефти [3-13].

Стоимость одной тонны пеллет – 60–90 Евро.

Пеллеты могут быть использованы для:

• производства биосингаза и биоводорода,

• быстрого пиролиза

• производства метанола

• газификации

• прямого сжигания

Пеллеты широко используются в странах Европейского Союза для получения тепловой и электрической энергии. Например, в Австрии общее количество приобретенных бытовых бойлеров, использующих пеллеты, за период с 1997 по 2003 годы составило около 22 тысяч комплектов, или в год: 1997-425; 1998–1323; 1999–2128; 2000–3466; 2001–4932; 2002–4492; 2003–5193.[3-14].