Биотопливо

Энергия биомассы

Под биомассой подразумевают все органические вещества растительного и животного происхождения. Органических веществ, которые могут использоваться в целях получения энергии, великое множество. К ним относятся древесина и отходы ее переработки, имеющие доминирующее значение, продукция сельского хозяйства, а также отходы ее переработки. Все эти вещества можно классифицировать по различным признакам:

  1. по источнику происхождения:
    1. растительные;
    2. животные;
  2. по стадии использования:
    1. первичные;
    2. вторичные.

Первичная (растительная) биомасса используется человечеством с незапамятных времен — со времени овладения огнем. Растительная биомасса (фитомасса) образуется в результате фотосинтеза в виде полимеров, содержащих в основном углерод (C), водород (H) и кислород (O). Кроме того, в фитомассе в малых концентрациях присутствуют фосфор, азот, калий, а также следы многих других элементов.

С энергетической точки зрения биомассу можно рассматривать как аккумулированную солнечную энергию. Энергетическое использование биомассы предполагает либо непосредственное сжигание, либо производство промежуточных энергоносителей: твердых, газообразных или жидких биотоплив.

Процесс фотосинтеза может быть в общем виде представлен следующей реакцией:

CO2 +H2O+солнечный свет→CH2O+O2,

где CH2O — обобщенная формула для углеводов (сахар, крахмал, целлюлоза). Энергетическое использование биомассы в конечном счете определяется реакцией

CH2O+O2 →CO2 +H2O+тепло.

Сопоставление этих двух реакций показывает, что в результате фотосинтеза и использования созданной биомассы реализуется замкнутый цикл, в котором солнечная энергия аккумулируется, запасается и затем превращается в полезное тепло. Этот цикл нейтрален по отношению к выбросам CO2 при условии, что на место использованной биомассы будет посажено новое растение, при росте которого весь диоксид углерода будет вновь поглощен.

Биомасса обладает рядом существенных преимуществ как ВИЭ. К ним можно отнести:

  • распространенность и доступность;
  • всесезонность;
  • возможность получения различных конечных продуктов (кроме традиционного сжигания с получением электроэнергии и тепла можно получать синтез-газ, бионефть, этанол, биогаз, биоводород);
  • снижение антропогенной нагрузки на окружающую природную среду. В атмосферу выделяется при использовании биомассы столько же диоксида углерода, сколько его поглощается при росте биомассы. Кроме того, в отличие от органических топлив, биомасса не приводит к выбросу в атмосферу таких загрязняющих веществ, как тяжелые металлы, оксид углерода, оксиды серы.

Биомасса как источник энергии играет существенную роль в мировом энергетическом балансе. Сегодня вклад биомассы в мировой энергетический баланс оценивается в 12–13%, хотя надежный учет некоммерческого использования дров затруднен.

Ежегодно в мире образуется около 220 млрд т биомассы по сухому веществу, что по теплотворности эквивалентно около 4000 ЭДж. Для сравнения общее годовое потребление энергии в мире составляет около 430 ЭДж.

Наибольший удельный вес биомасса имеет в энергетических балансах развивающихся стран Африки и Азии, где для приготовления пищи, обогрева и освещения традиционно используются дрова. В последние годы значительно увеличилась доля биомассы в энергетических балансах и развитых стран (табл.5.1).

Увеличение вклада биомассы в потребление энергии в развитых странах, % к общему потреблению энергии
Таблица 5.1 Увеличение вклада биомассы в потребление энергии в развитых странах, % к общему потреблению энергии

Причины такого увеличения кроются в постоянном росте цен на ископаемые топлива, в первую очередь на нефть и газ, и понятном желании стран обеспечить свою энергетическую безопасность. В 2003 г. доля биомассы в общем энергетическом балансе Европейского союза составила 3,6%, что несколько выше, чем вклад всех остальных ВИЭ (3,4%).

Коммерческое энергетическое использование биомассы в основном ориентируется на отходы лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности. В некотором объеме используются сельскохозяйственные отходы (солома, жмых, лузга и т.п.).

Наряду с растительными отходами в мировой печати обсуждается вопрос о создании специальных энергетических плантаций. На таких плантациях должны высаживаться высокопродуктивные, быстро растущие растения, которые целиком используются для энергетических целей. При этом основным условием является непрерывное возобновление посадок на месте срезанных растений. В этом случае CO2, выбрасываемый в атмосферу при энергетическом использований растений, будет вновь вовлекаться в процесс фотосинтеза. Эти же идеи лежат в основе выращивания микроводорослей, например хлореллы.

При всей принципиальной привлекательности этого подхода перспективы широкого распространения энергетических плантаций не очевидны. Для таких плантаций нужны земля, вода, удобрения, т.е. все то, что необходимо также и для производства продовольствия. При дефиците продовольствия в мире конкуренция будет складываться не в пользу энергетики.

Важным и достаточно большим источником биомассы являются твердые бытовые отходы (ТБО). По оценкам средний городской житель производит 300–400 кг ТБО в год. При средней теплотворности ТБО 5–6 ГДж/т это означает, что в городе с населением в 1 млн человек за счет ТБО можно получить 2–3 ПДж/год энергии.

В основном отходы сжигаются в энергетических установках сравнительно небольшого масштаба либо самостоятельно, либо в сочетании с углем. Непосредственное сжигание отходов в промышленных топках затруднено из-за малой объемной плотности энергии. Поэтому в последнее время отходы перед сжиганием брикетируют или превращают в так называемые пеллеты. Эта последняя технология получила особенно большое распространение. Например, в США годовой объем производства пеллет превышает 0,7 млн т, а их энергетический эквивалент составляет около 12 ПДж.

Для производства пеллет биомасса вначале измельчается до размера частиц порядка 3 мм и высушивается. Затем эта масса под высоким давлением выдавливается с помощью винтового экструдера. В результате образуются твердые цилиндрики с длиной до 10–15 мм и диаметром около 5 мм, имеющие теплоту сгорания 5 кВт·ч/кг. Поскольку процесс проводится при высоком давлении, масса разогревается и добавка связующих (в отличие от брикетирования) не требуется. Процесс требует заметных затрат электроэнергии — 50–100 кВт·ч/т пеллет, что приводит к удорожанию пеллет по сравнению с исходным сырьем на примерно 50 долл. США/т. Сегодня в США пеллеты продаются по цене около 6 $/ГДж и пользуются большим спросом.