Биоэнергетика: мировой опыт, потенциал. Местные виды топлива.

Значительные возможности в решении задач в получении недорогой и экологически оправданной энергии имеет биоэнергетика и местные виды топлива. Сбережение ресурсов, надежность снабжения и экономичность являются важными аргументами для того, чтобы реструктизировать производство электроэнергии и тепла в сторону обеспечения децентрализованного энергообеспечения. Благодаря продуманной комбинации энергоносителей в перспективе можно получать относительно недорогое обеспечение потребности в энергии.

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– это общая масса органических веществ, создаваемых и преобразовываемых в результате деятельности живых микроорганизмов. Биомассу можно подразделить на продукты первичные, которые возникают при прямом использовании солнечной энергии в процессе фотосинтеза( растительная масса и продукты ее переработки) и вторичные, которые образуются в результате преобразования или разложения органической массы животными. Биоэнергеией называют энергию, произведенную из биомассы. В отличие от других возобновляемых источников, биомассу можно хранить, накапливать. Производство биомассы позволяет сокращать использование ископаемых ресурсов, снизит зависимость народного хозяйства от импорта природного газа и нефти.

Сегодня биомасса - четвертое по значению топливо в мире, дающее около 2 млрд. тонн у.т. в год, что составляет около 14% общемирового потребления первичных энергоносителей (в развивающихся странах - более 30%, а иногда и 50 - 80%) [14].

Мировой опыт использования биоэнергетики.

И в настоящее время производство энергии из возобновляемых ис­точников, в том числе биомассы, динамично развивается в большинст­ве стран Европы. В 1995 г. в ЕС на долю возобновляемых источников энергии приходилось 74,3 млн. тонн нефтяного эквивалента (н.э.), что составляло около 6% общего потребления первичных энергоносите­лей. Из них доля биомассы находилась на уровне более 60%, что со­ставляло около 3% общего потребления первичных энергоносителей. В отдельных странах доля биомассы в общем потреблении первичных энергоносителей значительно превышала среднеевропейскую: в Фин­ляндии -23% (мировой лидер среди развитых стран), в Австрии — 12%, в Дании - 8%, в Канаде и Германии - 6%, в США 3%. В соответствии с программой развития возобновляемых источников энергий, в 2010 г. в странах ЕС доля биомассы достигнет 182 млн тонн н.э., или 74% общего вклада возобновляемых источников энергии. Следовательно, биомасса является наиболее мощным сектором возобновляемых источников энергии в ЕС.

Любой материал органического происхождения является биомассой, в том числе экскременты животных или компоненты растений, органические отходы, растительное масло, этанол и может быть использовано для производства энергии. Используются различные методы, превращения растительного сырья в жидкость, твердые или газообразные источники энергии. Распространяются технологии анаэробного сбраживания с производством биогаза и последующего получения электричества и тепловой энергии или преобразования в синтетический газ и топливо термохимическим способом.

Смесь метана и диоксида углерода при наличии небольшого коли­чества других газов называют биогазом. Биогаз используют в качестве топлива для производства: электро­энергии, тепла или пара, или в качестве автомобильного топлива. Больше всего малых биогазовых установок находится в Китае - более 10 млн. Они производят около 7 млрд. м³ био­газа в год, что обеспечивает топливом примерно 60 млн. крестьян. В Дании с 1981 г. было установлено 3,8 млн. малых биогазовых устано­вок. Среди промышленно развитых стран ведущее место в производст­ве и использовании биогаза принадлежит Дании - биогаз занимает до 80 % в её общем энергобалансе. В Западной Европе не менее полови­ны всех птицеферм отапливаются биогазом [110].

Особый интерес к метановому брожению, или анаэробной пepepaботке более отходов, вызван во всем мире не только из-за возможности получения дешевого и высококачественного топлива, но и из-за распада органических веществ отходов до 30...40 %, т. е. существенной очистка с одновременным дезодорированием (уничтожением запахов) и полной ликвидацией при термофильном режиме патогенной микрофлорьд яиц гельминтов и семян сорняков [42].

Получение биогаза. Практически метановому брожению могут быть подвергнуты органические отходы любой влажности - от 30 до 90 % (отходы жизнедеятельности животных, силос, солома, зерно, подстилка для скота, пищевые и другие отходы ферм, твердые бытовые отходы, отходы предприятий, перерабатывающих сельскохозяйственную продукцию). Но совершенно очевидно, что конструкции реакторов и технологии будут! существенно отличаться. Для брожения жидких (85...98 % влажности) отходов используются цилиндрические (вертикальные и горизонтальные) емкости. В таких реакторах процесс может осуществляться непрерывно или полупериодически [76]. Отходы, содержащие 70...80 % влажности, подвергаются брожению в установках батарейного типа, процесс осуществляется периодически,т. е. реактор загружается целиком сырьем данной влажности, обсеме­няется необходимой микрофлорой и по окончании брожения полностъю освобождается [42]. При оптимальных условиях сбраживания из 1 т сухого вещества навоза можно получить 350 м³ биогаза, в пересчете на одну голову крупного рогатого скота 2,5 м³/сут (900 м³ в год) [27]. Биогаз по теплоте эквивалентен 4 кВт-ч электроэнергии, 0,6 кг керосина, 1,5 кг каменного угля, 3,5 кг дров, 0,4 м бутана и 12 кг навозных брикетов [5]. Рассчитав эквивалент получаемого по данной технологии биогаза к традиционному моторному топливу, можно констатировать доста­точно парадоксальный на первый взгляд факт: одна корова, кроме мо­лока, дает еще около 700 л бензина в год. Из 1 т куриного помета можно получить моторное топливо, эквивалентное 800 л бензина. Для пе­ресчета количества биогаза, получаемого на птицеводческих и живот­новодческих комплексах, можно пользоваться следующими условными единицами: 1 корова = 4 свиньи = 250 кур [28].

Наиболее значимым возобновляемым источником энергии является древесина. Ее сжигание - традиционный способ получения энергии. Древесина и как разновидность топлива имеет ряд преимуществ. Древесина содержит менее 0,02% серы и около 0,12% азота, т.е. в продуктах сгорания содержится низкий уровень сернистых и азотистых соединений. Лесхозами республики к 2011 году созданы 1176,2 га плантаций быстрорастущих древесно-кустарниковых пород для топливно-энергетических целей, а к 2015г. предусмотрено дополнительно создать более 1 тыс га плантаций. Объем топливной древесины на 1га плантаций в возрасте 20-25 лет составит 200 куб. м, что эквивалентно 50-55 т.у.т.

Существует множество способов получения и переработки биомассы растений в тепловую энергию. Одна из самых многообещающих технологий для широкого использования биомассы для получения высокой температуры. Мощности, топлива и химикатов является газификация. Не менее разнообразны и технологии получения твердого биотоплива. Например, получение твердотопливных брикетов и пеллет. Для их получения сырье сушат, измельчают и прессуют. Из 4- 5 куб. метров древесных отходов получают 1 т пеллет, а 1 кг древесных гранул может заменить 0,5 л традиционного топлива. Перспективным направлением является производство топливных пеллет из соломы и костры.

Лидирующими странами по использованию биоресурсов в Европе, как уже говорилось, являются Финляндия, Швеция и Австрия, при этом Финляндия, Германия и Швеция являются основными странами с точки зрения развития и продвижения биоэнергетики, в основном бла­годаря должным регулятивным механизмам, которые позволяют обес­печить конкурентоспособность биоэнергетического топлива по срав­нению с ископаемыми топливами. Основным источником биоэнерге­тических ресурсов является твердая биомасса (табл. ), и согласно Белой книге такое положение дел сохранится до 2010 г. [31].

Потенциалы топливных ресурсов. Реально отрасль биоэнергетики в Европе развивается довольно быстро. В 2001-2002 гг. число заводов по производству топлива из древёсных отходов в странах Европы удвоилось. Комиссия по нетра­диционным видам топлива ЕС заключила, что потребление грану­лированного древесного топлива растет сегодня на 30 % в год, в 2002г. оно составило 12 % от всех используемых источников энергии, а в 2003 г.-18% [113].

Соответственно, с 1996 г. в Европе наблюдается бум в спросе на топливные гранулы. Их цена растет ежегодно на 10 %, а производ­ство - на 30 % в год. Реализуются программы развития биоэнергетики Дании, Швеции, Норвегии на основе использования топливных гранул, в том числе выполняется перевод теплоустановок с потреб­ления щепы на потребление гранул [113].

В качестве биотоплива могут быть использованы: древесина, отходы древесины, образующиеся при ее рубке и обработке, биомасса быстро­растущих кустарниковых и травянистых растений, лигнин, горючая часть коммунальных отходов, отходы, получаемые при мелиоратив­ных работах, расчистке территорий под новое строительство, отходы растениеводства, горючие отходы перерабатывающей и пищевой про­мышленности, животноводства [115].

Использование твердой биомассы: древесина и остаточные сельско-хозяйственные материалы, такие, как солома, являются, вероятно, наи­более рентабельным типом возобновляемых энергоносителей. Увели­чение использования биомассы является наиболее важным элементом в стратегии ЕС, нацеленной на удваивание использования возобновляемых энергоносителей в период с 1995 по 2010 год, но развитие в 15 странах ЕС идет не так быстро, как ожидалось.

Крупнейшая теплоэлектроцентраль, работающая на биомассе, была пущена недалеко от города Jacobstad / Pietarsaari на западном побережье Финляндии в декабре 2001 г. энергетической компанией Alhol- mens Kraft. . Эта теплоэлектроцентраль использует смесь различных видов древесного биологического топлива: кору, опилки, щепу, торф, а уголь - в качестве резервного топлива [128]. В Чехии также широко начали использовать биомассу для производства тепла. В виде топлива используют древесные отходы, щепу, опилки, брикеты, гранулы, солому и другую биомассу. В Литве самый используемый вид биомассы - древесина. В Литве на древесине работают больше чем 90 котлов с общей мощностью 230 МВт. Котлы, работающие на соломе, в Литве производят многие предприятия с интервалом мощности от 15-340 МВт. Котлы на соломе используют для обогрева деревенских школ, больниц и частных домов. В энергетическом балансе Литвы объем используемой биомассы древесины и соломы составляет 8,7% от общего потребления энергии.

В Беларуси лесами в занято 7,8 млн. га — это 37,6 % территории. Ежегодный прирост древесины в лесном фонде составляет около 28 млн. км^3. . По оценкам специалистов, большая часть образующихся при рубках леса и деревообработке отходов может быть использована как топливо [2]. Основная часть биотоплива в Республике Беларусь, которая может быть вовлечена в топливно-энергетический баланс для промышленной выработки электроэнергии и тепла, — это древесно-топливные ресурсы «чистых» лесных территорий. Запас растущей древесины составляет свыше 1,2 млрд. м^3. Древесные обрезки и отходы древесины, обра­зующиеся при рубке и обработке древесины, могут составлять до 40 — 50% собранной биомассы. Эти компоненты представляют альтернативный топливный ресурс для энергетики [115].

По оценке ИПЭ НАНБ совместно с Министерством лесного хозяй­ства, технически доступен для биоэнергетики в настоящее время объ­ем отходов, эквивалентный приблизительно 1,5 миллиона тонн у.т/год. Согласно официальным данным Белорусского энергетического инсти­тута, только 25 % этой величины используется в настоящее время 15]. К 2015 г. потенциальные топливные ресурсы для биоэнергетики оцениваются в 2,7-3,0 млн. тонн у.т/год, к 2020 г. - 3,7 млн. тонн у.т в год [115]. Около четверти лесных ресурсов страны находится в зоне, загряз­ненной в результате аварии на ЧАЭС. Использование биомассы отхо­дов из этих лесов предполагает определенные ограничения на техно­логии энергетической утилизации древесной массы.

Также одним из перспективных направлений производства биотоп­лива признаны плантационные посадки быстрорастущих кустарнико­вых и травянистых энергорастений, для которых среднегодовой при­рост биомассы превышает 25 м³/га. Беларусь идеально подходит для развития этой отрасли биоэнергетики благодаря наличию крупного сельскохозяйственного производства, равнинного ландшафта [115]. По предварительным оценкам, в масштабах республики имеется около 100 тыс. га земель, технически доступных в настоящее время для «энергетических» посадок, потенциал биомассы быстрорастущих кустарниковых и травянистых энергорастений может составить от 0,6- 0,8 млн. тонн у.т/год [115]. Потенциал биомассы быстрорастущих кустарниковые и травяни­стых растений может быть увеличен за счет загрязненных и выведенных из оборота ЧАЭС территорий Гомельской и Могилевской составляют около 250 тыс. га, потенциальный объем производства био­топлива до 2,0 млн. тонн у.т/год; неиспользованные площади лесного фонда (непокрытая лесом площадь в результате гибели насаждений, вырубок, пустырей и пр.) составляют около 200 тыс. га, потенциальный объем производства биотоплива до 1,6 млн. тонн у.т/год; защитные полосы вдоль дорог и просек составляют около 100 тыс.га, потенциальный объем производства биотоплива до 0,8 тонн у.т/год [115].

Одним из видов местного топлива относится торф. Мировые запасы торфа, по данным разведочных работ 60-70-х го­дов XX столетия, оценивались более чем в 500 млрд тонн. Крупней­шие запасы этого сырья расположены в России - 235 млрд тонн, Ин­донезии - 78,5 млрд тонн, США - 36 млрд тонн, Финляндии и Канаде - по 35 млрд тонн, КНР — 27 млрд тонн, Швеции - 11,2 млрд тонн. Значительное внимание использованию торфа в энергетических це­лях уделяют страны с высоким темпом развития экономики, а также страны с суровым климатом.

Потенциалы топливных ресурсов. В республике предусматривается строительство в 2011-2012 гг. линий по производству топливных гранул в объеме 140 т в сутки. Согласно Постановлению Совета Министров Республики Бела­русь от 30 декабря 2004 г. № 1680 необходимо обеспечить Целевую программу обеспечения в республике не менее 25 процентов объема производства электрической и тепловой энергии за счет использования местных видов топлива из альтернативных источников энергии на пе­риод до 2012 г. [53]

В Республике Беларусь в соответствии с данными концерна «Белтопгаз», в 1975 г. было добыто 16,8 млн. тонн торфа. В настоящее вре­мя ежегодно добывается 2,1 - 2,3 млн. тонн фрезерного торфа. К 2012 г. в республике планируется увеличить добычу торфа до 3,3 млн. тонн.

Важнейший путь использовании древесины как топлива является рафинирование древесного топлива, которой в нашей рес­публике до последнего времени не уделялось должного внимания. Тем не менее определенные знания и практические заделы в создании технологий, оборудования и производства рафинированного древесно­го топлива (гранул и брикетов) в нашей стране есть.

Таким образом, местные виды топлив разнообразны. Разнообразие существующих методов конверсии местных видов топлива позволяет подобрать оптимальный метод в соответствии с имеющимися возможностями и требуемым результатом для каждого отдельного случая. Это топливо уже вошло в энергетику Беларуси и других стран, и в будущем будет укреплять свои позиции в отведённой ему нише.