Биоэнергетика. Развитие биоэнергетики и возможности переработки бытовых

Отходов

Под действием солнечного излучения в растениях образуются органические вещества и аккумулируется хими­ческая энергия. Этот процесс называется фотосинтезом. Животные су­ществуют за счет прямого или косвенного получения энергии и вещества от растений. Этот процесс соответствует трофическому уровню фотосин­теза. В результате фотосинтеза происходит естественное преобразование солнечной энергии. Вещества, из которых состоят растения и животные, называют биомассой [3]. Посредством химических или биохимических про­цессов биомасса может быть превращена в определенные виды топлива: газообразный метан, жидкий метанол, твердый древесный уголь. Про­дукты сгорания биотоплива путем естественных экологических или сель­скохозяйственных процессов вновь превращаются в биотопливо. Существуют различные энергетические способы переработки био­массы: термохимические (прямое сжигание, газификация, пиролиз); биохимические (спиртовая ферментация, анаэробная или аэроб­ная переработка, биофотолиз); агрохимические (экстракция топлива) [11]. Биоэнергетика – это наука, изучающая механизмы и закономерности преобразования энергии в процессах жиз­недеятельности организмов, энергетические процессы в биосфере. Наряду с этим, в последнее время сюда относят и процессы, связанные с образованием биомассы и ее ис­пользованием для получения энергии в промышленных целях. Биомасса – общая масса растений, микроорганизмов и животных, приходящаяся на единицу площади или объема их обитания. Численно она выражается в массе сырого или сухого вещества (кг/м²; кг/га; кг/м³ и т. д.). Биомассу расте­ний называют фитомассой, животных организмов – зоо­массой. Общая биомасса живых организмов биосферы Зе­мли по различным оценкам составляет от 1,8–1012 т до 2,4–1012 т сухого вещества [15].

Фотосинтез – это превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами лучистой энер­гии в энергию химических связей органических веществ. Фактически фотосинтез – биотехнологический способ преобразования энергии. Он происходит с участием хлоро­филла и других поглощающих лучистую энергию пигмен­тов. Одно из важнейших уравнений фотосинтеза:

Биомасса – наиболее перспективный и значительный возобновляе­мый источник энергии в республике, который может обеспечивать до 15% ее потребностей в топливе. Весьма многообещающе для Беларуси использование в качестве био­массы отходов животноводческих ферм и комплексов. Получение из них биогаза может составить около 890 млн. м³ в год. Сдерживающим фактором развития биогазо­вых установок в республике являются продолжительные зимы, большая металлоемкость установок, неполная обеззараженность органических удобрений. Биоэнергоустановку рассматривают в первую очередь как установку для производства орга­нических удобрений и попутно – для получения биотоплива, позволяю­щего получить тепловую и электрическую энергию. Биогаз получают путем микробиологического анаэробного разложе­ния органических веществ растительного и животного происхождения. Он состоит из 50-80% метана и 50-20 % углекислого газа. Сырьем для производства биогаза является биомасса и разнообразные органические отходы. При производстве биогаза до 90% органического вещества отходов переходит в газ и воду. При определенных температурных условиях осуществляется полное обеззараживание утилизи­руемых отходов. Анаэробная деструкция органических веществ вызывает минерализацию азота, фосфора, калия, то есть дает возможность получения эффективных биоудобрений. В Беларуси биоэнергетические установки находятся в стадии разработки и испытаний, результаты которых позволят в недалеком будущем дать уточненную оценку реального выхода товарного биогаза. Энергетическая программа Республики Беларусь до 2010 г. преду­сматривает ряд крупномасштабных мероприятий в области биоэнергетики. Считается, что применение биоэнергетических установок по переработке отходов животноводства позволит существенно улучшить экологическую обстановку вблизи крупных животноводческих комплексов, где к настоя­щему времени скопились огромные количества непереработанной биомас­сы. Кроме того, можно рассчитывать на получение высококачественных ор­ганических удобрений и за счет производства биогаза обеспечить экономию 116 тыс. т топлива в год. В мировой практике получение энергии из твердых бытовых отходов осуществляется в основном сжиганием и газификацией [14].

Основными типами энергетических процессов, связанных с переработкой биомассы, являются: прямое сжигание для получения теплоты, пиролиз, гидрогенизация.

В жилых и общественных зданиях (школах, вузах, детсадах, магазинах, столовых и т.д.) образуются твер­дые бытовые отходы (ТБО). Содержание органического вещества в них составляет 40-75%, углеводов – 35-40%, зольность – 40-70%. Ко­личество горючих компонентов в ТБО равно 50-88%. Бытовые отходы содержат также трудно разлагаемые химические элементы, в их числе хлорорганические и токсичные. В большой степени ТБО обогащены кадмием, оло­вом, свинцом и медью. В мировой практике получение энергии из ТБО осуществляется сжи­ганием или газификацией. В Японии, Дании, Швейцарии сжигается око­ло 70% твердых бытовых отходов, остальная часть складируется на по­лигонах или компостируется. В США сжигается около 14% ТБО, в Германии – 30%, Италии – 25%. В Республике Беларусь общий энергети­ческий потенциал ТБО оценивается в 20-23 млн. т, из них только 8-10% перерабатывается и используется в производстве. Ежегодно накап­ливается 2,4 млн. тонн ТБО с потенциальной энергией 470 тыс. т. Учитывая бедность республики энергетическими ресурсами, необходи­мо вовлечь ТБО в ее энергопотенциал путем применения прогрессивных технологий, заимствованных из опыта других стран, либо развернуть ис­следования и создать собственные технологии переработки ТБО.

Потенциальная энергия, заклю­ченная в коммунальных отходах, образующихся на терри­тории Беларуси, равноценна 470 тыс. т. При их биопере­работке в целях получения газа эффективность составит не более 20-25%. Кроме того, необходимо учитывать многолетние запасы таких от­ходов, которые имеются во всех крупных городах и созда­ют проблемы их складирования. Только по областным го­родам ежегодная переработка коммунальных отходов в газ позволила бы получить биогаза около 50 тыс. т, а по г. Минску – до 30 тыс. т. Эффективность данного на­правления следует оценивать не только по выходу биогаза, но и по экологической составляющей, которая при такой проблеме будет основной. Существующие в республике по­лигоны проектировались и были построены без учета ис­пользования биогаза, и недостаточная изученность ситуа­ции не позволяет рассчитывать на освоение этого вида энер­гии на ближайшие 10-15 лет [13].

В качестве сырья для получения жидкого и газообразного топлива можно применять периодически во­зобновляемый источник энергии – фитомассу быстрора­стущих растений и деревьев. В климатических условиях рес­публики с 1 га энергетических плантаций возможен сбор масс растений в количестве до 10 т сухого вещества. При дополнительных агроприемах продуктивность гектара может быть повышена в 2–3 раза. Наиболее целесообразно использовать для полу­чения сырья площади выработанных торфяных месторож­дений, на которых отсутствуют условия для произрастания сельскохозяйственных культур. Площадь таких месторож­дений в республике составляет около 180 тыс. га и может стать стабильным, экологически чистым источником энергетического сырья. Отсутствие опыта массового исполь­зования фитомассы для энергетических целей не позволяет сделать оценку затрат и будущих цен на топливо, т.к. для этой цели потребуется разработка специальной техники, дорож­ная инфраструктура, перерабатывающие предприятия и дру­гие мероприятия. По экспертным оценкам к 2010 г. за счет названного источника может быть получено 50–70 тыс. т. В настоящее время начата реализация программы по освоению технологии выращивания быстрорастущих по­род растений в организациях концерна «Белтопгаз».

Использование отходов расте­ниеводства в качестве топлива является принципиально но­вым направлением энергосбережения. Практический опыт их применения в качестве энергоносителя накоплен в Бель­гии и Скандинавских странах, а в нашей республике опыт массового применения отсутствует. Общий потенциал от­ходов растениеводства оценивается до 1,46 млн. т. в год. Решения о целесообразных объемах их сжигания для топливных целей следует принимать, сопоставляя конкретные нужды хозяйств в индивидуальном порядке. К концу прогнозируемого периода объем использования отходов растениеводства оценивается на уровне 20-30 тыс. т. Беларусь име­ет значительный потенциал для внедрения технологий про­изводства топливного этанола и биодизельного топлива из рапса и сои. Производство биодизельного топлива из рапса и сои в перспективе будет рассматриваться с точки зрения его кон­курентоспособности по отношению к традиционным ви­дам топлива, т.к. на сегодня его себестоимость больше, чем традиционного себестоимость дизельного топлива, а его ис­пользование в развитых странах обусловливается значитель­но низким негативным влиянием на окружающую среду. Для внедрения технологий производства топливного этанола требуется главным образом соответствующая ре­конструкция спиртовых заводов, что обеспечит минималь­ный объем необходимых инвестиций. Общий потенциал оценивается до 1 млн. т. Топлива в год, а при активном инвестировании и внедрении данного на­правления к 2010 г. объем замещения традиционных видов топлива может составить около 20 тыс. т . в год [3].