Анаэробное разложение биомассы
Применение метода анаэробного разложения биомассы в развивающихся странах. Издержки производства при использовании небольших реакторов определить нелегко. По имеющимся данным, начиная с 1972 г. в Китае было построено семь миллионов небольших …
Моторный спирт
Из всех процессов производства биотоплива процесс превращения углеводов растений в моторный спирт, по-видимому, в наибольшей степени завладел общественным мнением и значительно укрепил статус биоэнергии. Благоприятные экономические показатели в Бразилии и …
Растительные масла
Растительные масла, каучук, эфирные масла и-растительные воска имеются в продаже по доступным ценам. Сравнение цен на некоторые продукты-приводится в таблице 48. Разница в цене между дешевыми растительными и минеральными маслами …
ЭНЕРГИЯ И ДЕНЕЖНЫЕ ЗАТРАТЫ
Хотя ранее говорилось о том, что привлекательность процессов по производству биотоплива будет определяться не столько энергетическими затратами, сколько денежными расходами, непосредственное сравнение этих двух категорий расходов по отдельным продуктам прояснит отношения между денежными и энергетическими затратами в экономике. На рисунке 15 дается раскладка этих двух категорий расходов. Денежные расходы касаются травяного силоса, производимого в Великобритании, а затраты энергии касаются кукурузного силоса, производимого в США; это сравнение следует принимать как приблизительное вследствие различных технологий возделывания культур в этих странах.
Биоэнергия: технология, термодинамика, издержки
Роль энергии. Ежегодное мировое потребление нефти для производства энергии составляет 7000 млн. т (с пересчетом на нефть других источников энергии). Торговля энергоносителями по объему превосходит все прочие статьи. Значение энергии не нуждается в комментариях, так как ни один вид человеческой деятельности не может осуществляться без использования тех или других форм энергии.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Широкий интерес к использованию биоэнергии был частично вызван опасениями относительно будущих запасов энергии. Возможная роль продуктов фотосинтеза как источников энергии должна рассматриваться на фоне основных отраслей мировой промышленности, занимающихся добычей и переработкой традиционных видов топлива. Для обеспечения будущих потребностей в энергии необходимы новые крупные источники энергии. Энергия из биомассы вряд ли составит сколько-нибудь значительную долю в общем потреблении энергии.
АНАЭРОБНОЕ РАЗЛОЖЕНИЕ
Некоторые органические молекулы биомассы могут подвергаться анаэробному разложению в результате деятельности микроорганизмов. Основные продукты распада — диоксид углерода, метан и большое число микробных клеток. В природе этот процесс протекает в гнилостной среде. С прошлого века его использовали для обработки больших количеств шлама (осадка сточных вод). Главное преимущество этого метода — сокращение числа и обезвоживание твердых частиц стока, а также снижение количества твердых частиц вторичного отстоя очистительных установок.
АНАЛИЗ СТЕПЕНИ РИСКА
Важным элементом в развитии использования возобновляемых видов энергии является риск, связанный с основной альтернативой источникам энергии на земном шаре в будущем — ядерной энергией. Риск, или возможные отрицательные последствия для человечества, связанные с использованием биомассы, а также изготовленных из нее видов топлива, часто считаются незначительными, но многие знают разрушительные возможности бесконтрольного процесса ядерного распада. Возможности риска, связанные с использованием возобновляемых видов топлива при производстве и использовании их в масштабах, аналогичных масштабам использования ископаемых видов топлива, исследовались сравнительно мало, но этот фактор следует принимать во внимание.
Масштабы, эффективность и плотность использования энергии
Использование энергии в определенных целях предполагает учет трех основных факторов: наличия достаточных запасов энергии, эффективности и нормы ее использования. Продуктивность представляет собой сочетание указанных трех факторов. Изобилие энергии. Здесь снова можно провести аналогию между живыми клетками и экономическими системами. В качестве топлива клетки используют неорганические молекулы (хемодитотрофы), органические молекулы (гетеротрофы) или солнечную радиацию (фотоауто - трофы). Однако источник энергии - только один из многих факторов, ограничивающих рост организмов в биосфере: часто более важные лимитирующие факторы — температура, питательные вещества, вода и болезнй.
РАСТИТЕЛЬНЫЕ МАСЛА
Масла, парафин, смолы и другие растворимые в растворителях соединения встречаются во всех растениях. Маслянистые соединения могут составлять до 40—50% биомассы, и они относительно легко экстрагируются. Эти соединения — сырье для многих отраслей мировой промышленности (табл. 31). Они используются человеком в пищу, в качестве корма для животных, пищевых добавок, душистых веществ, а также как сырье для производства широкого ассортимента товаров.
СОЦИАЛЬНЫЙ АСПЕКТ
Потребность в площадях. В этом разделе рассматриваются вопросы, связанные с безопасностью использования биоэнергии для людей и окружающей среды. Уровень безопасности является значительным, и этот фактор может перевесить все остальные возражения против использования этого вида топлива. В главе 2 было показано, что теплотворная способность материалов, получаемых человеком в сельском и лесном хозяйстве, равна примерно четверти общей энергии топлива, используемого человеком.
История вопроса потребления и стоимости энергии
Потребление энергии в Англии. Потребление энергии и экономический рост находятся в тесной связи [9, 12, 13]. Индустриализация требует увеличения количества топлива с высокой теплотворной способностью. Энергия должна быть дешевой и доступной как с точки зрения стоимости, так и с точки зрения требующихся затрат труда.
ПРОИЗВОДСТВО БИОЛОГИЧЕСКОГО ВОДОРОДА
Химия. Образование водорода происходит в живых клетках в процессе фотосинтетического расщепления воды в ходе фотохимических светочувствительных реакций с использованием водородных доноров, иных, чем вода (например, соли или эфиры яблочной кислоты, ацетаты), а также в ходе различных других катаболических реакций, таких, как анаэробное разложение. Мы рассмотрим только первый тип реакции, так как второй тип предполагает использование уже готовых органических молекул, а третий тип частично затронут в разделе, описывающем разложение, где образование водорода/представлено как нарушение хода процесса.
ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ
Стоки, выбросы и отходы. Производство биотоплива предполагает обработку больших количеств органического вещества, что неизбежно вызовет образование больших количеств твердых, жидких и газообразных отходов. Вследствие сложности химического состава сырья и относительной простоты состава получаемого топлива не удивительно, что количество загрязняющих веществ на единицу произведенной энергии здесь больше, чем при производстве ископаемых видов топлива.
Эффективность энергии и эффективность затрат
Экономика и термодинамика. В целом топливо является более дешевой статьей, чем промышленные товары и услуги, определяющие национальное богатство. Например, стоимость угля составляет от 10 до нескольких десятков фунтов стерлингов за 1 т в зависимости от способа добычи. Стоимость добываемой нефти составляет от нескольких до, вероятно, 60 ф. ст. за 1 т, в то время как ее продажная цена может быть значительно более высокой.
ПОДХОД К РАСЧЕТАМ СТОИМОСТИ БИОЭНЕРГИИ
Цель экономической оценки предложений по использованию биотоплива — сравнение стоимости ресурсов и необходимых усилий по их освоению с ценностью предполагаемых результатов. Методы расчетов достаточно хорошо разработаны [1, 2], что дает возможность с определенной точностью прогнозировать издержки в отношении хорошо известных процессов. Для новых процессов и продуктов, где приходится сталкиваться со значительной долей неопределенности как в отношении технологии, так и рынка сбыта продуктов, прогнозирование издержек характеризуется низкой точностью, и при строительстве заводов может возникнуть значительный перерасход средств [3]. В литературе имеется целый ряд вариантов расчетов путей производства биотоплива, при этом предполагаемый экономический эффект сильно варьирует.
КАКОВА ЦЕНА БИОТОПЛИВА?
Дорогостоящий выбор. В главе 4 была показана дороговизна большинства видов биотоплива. Этот факт обычно признается даже сторонниками биоэнергии; она объясняет также, почему использование биотоплива в масштабах, сравнимых с масштабами использования традиционных видов в развитых странах, до сих пор не получило распространения. Там, где биотопливо все же используется, существуют особые условия. Например, правительство может субсидировать производство биотоплива (газохол в США и Бразилии) или обложить высокими налогами использование ископаемых видов топлива.
Солнечная радиация и наличие земельных угодий
Интенсивность солнечной радиации. Солнечная радиация непосредственно За пределами земной атмосферы имеет энергетическую плотность около 0,12 ГДж/м2 в день [1]. В целом земля получает около 5,4 х 10IS ГДж радиации ежегодно. Однако минимум 30% падающей радиации теряется в результате отражения или поглощения ее земной атмосферой (даже при отсутствии облаков и загрязнения атмосферы). Облака могут отражать до 80% общей радиации, а степень покрытия облаками, земной поверхности составляет почти 50% в любое время.
НЕПОСРЕДСТВЕННОЕ СЖИГАНИЕ
Реальную стоимость мелкомасштабного использования биомассы, например дерева и навоза, используемых в качестве топлива, определить трудно. Огромные усилия по заготовке дров, имеющие место, например, в странах третьего мира [7], не могут быть выражены в экономических издержках. Даже в развитых странах заготовка дров на землях общего пользования является добровольным делом энтузиастов. Как уже отмечалось в главе 2, сжигание соломы на фермах стало менее распространенным.
КОНКУРЕНЦИЯ С НЕФТЬЮ, УГЛЕМ И ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИЕЙ
Рост или сокращение? В главе 1 уже говорилось о том, что в настоящее время в мире преобладают виды энергии, получаемой за счет нефти, угля и газа. Возобновляемые виды энергии всех типов должны конкурировать с крупными промышленными отраслями, представленными этими видами топлива. Они должны также конкурировать с относительно новым видом энергии — ядерной энергией. Потребление ядерной энергии увеличилось за десять лет (с 1971 по 1981 г.) почти в 8 раз (рис.
Урожай культур и факторы. лимитирующие урожай
Производство первичной биомассы. Общее количество биомассы (в пересчете на сухое вещество), производимой в биосфере, составляет по расчетам около 110 млрд. т в год, из которых около 4 млн. т производится на обрабатываемой площади. Категории биомассы представлены в таблице 11 [3, 9]; основная ее доля приходится на леса и океаны.
ТЕРМИЧЕСКОЕ ОБОГАЩЕНИЕ
Большое число различных схем обогащения биомассы с получением полезного топлива затрудняет подбор типичных расчетов. Все же мы выбрали два примера расчетов — один, приводящий к получению высококалорийного газа, а другой — к получению жидкого топлива (метанола). Хотя в приводимом источнике [И] даются расчеты, основанные как на кредитах с низким ссудным процентом, получаемых от местных органов управления и т. д., так и на частном финансировании, мы приняли второй источник финансирования с целью показать жизнеспособность предложенных проектов.
РАЗВИВАЮЩИЕСЯ СТРАНЫ
Неравенство в обеспечении ресурсами. Относительная нищета, в которой находится значительная часть человечества, и его неспособность обеспечить свои самые основные потребности являются причиной законного беспокойства. Одной из таких потребностей является потребность в топливе для приготовления пищи и обогрева. В Индии существуют громадные трудности, связанные со сбором дров для обеспечения ежедневных потребностей; так, в некоторых местах сбор достаточного количества биомассы занимает до семи часов в день [9]. Однако проблема состоит не в истощении мировых ресурсов энергии, а в громадном неравенстве между нациями и внутри наций и нищете среди изобилия.
Стоимость продуктов фотосинтеза
Цены на биомассу. За последние годы трудности с топливом были практически связаны больше с его стоимостью, чем с фактическим наличием. В странах, производящих нефть, запасы последней исчерпаны не были, но эти страны ограничили поступление нефти на мировые рынки и повысили цены на нефть. Стоимость биомассы как источника топлива до сих пор не получила должного внимания, несмотря на попытки совершенствования самих процессов переработки биомассы.
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ЗАТРАТЫ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ БИОЭНЕРГИИ
Сохранение энергии. Как уже говорилось в главе 1, энергетические затраты при переработке и экстрагировании топлива являются важным вопросом в'плане перспективного обеспечения топливом, а также вероятности уменьшения запасов энергии. На местном уровне стоимость возобновляемых видов топлива, исходя из затрат ископаемых видов топлива, использованных для их производства, связана с планами увеличения национальных запасов энергоносителей и снижения размеров валютных платежей за импорт первичной энергии.
ЧТО ПРОИЗОЙДЕТ, КОГДА ИСТОЧНИКИ ИСКОПАЕМОГО ТОПЛИВА ИССЯКНУТ?
Биоэнергия — основной ресурс? Столкнувшись со всеми трудностями, связанными с внедрением биоэнергии, обычной реакцией является утверждение, что рано или поздно биоэнергия должна быть внедрена, так как запасы всех видов топлива должны в итоге иссякнуть. Биоэнергия т* другие формы возобновляемой энергии должны обеспечивать посте янные поступления энергии. Строго говоря, это тоже не является абсолютно верным, так как солнечный свет тоже должен когда-нибудь исчезнуть.
От первичных продуктов фотосинтеза к ценным видам топлива
Проблемы использования биомассы. Растительная биомасса представляет собой проблему с точки зрения использования ее как топли ва. Она объемиста, обладает высокой влажностью и даже в высушенном состоянии характеризуется низкой теплотворной способностью. Ценность биомассы как топлива по сравнению с углем является низкой (табл. 20). Биомасса, содержащая более 2/3 воды, не будет гореть; на практике топливо, используемое для непосредственного сжигания, должно содержать менее 30% воды (по массе). Кроме того, биомасса находится в твердом состоянии, что исключает возможность получения надбавок к ценам, которые устанавливаются для жидких видов топлива.
ЗАТРАТЫ ЭНЕРГИИ НА ПРОИЗВОДСТВО БИОМАССЫ
Революция в сельском хозяйстве. Замена труда человека и животных трудом машины в результате механизации сельского хозяйства в ходе XX столетия может быть справедливо названа ярким процессом. Энергия, необходимая для обработки почвы, возделывания культур, их уборки и транспортировки продукции, прямо или косвенно обеспечивается ископаемыми видами топлива. Топливо необходимо для приведения в движение трактора, других сельскохозяйственных машин, строительства этих машин, производства удобрений и других химических средств, а также для целого ряда других целей.
ПОВЕРХНОСТНЫЙ И ВСЕСТОРОННИЙ ПОДХОД
Исследования и экономика. Перед тем как начать проведение исследований по такой технико-экономической проблеме, как биоэнергия, важно определить специфическую природу этой проблемы. Усилия должны быть направлены на понимание и совершенствование многих различных аспектов получения биотоплива с использованием информации, накопленной в различных областях знаний. Однако данные, которые могут казаться эффективными с научной точки зрения, совершенно необязательно должны привести к снижению затрат при производстве биотоплива и побочных продуктов.
Сжигание
Простейшим методом получения полезной энергии из сухой биомассы является ее сжигание на воздухе. Химическая реакция полного окисления материалов, содержащих в основном углерод, кислород и водород, описывается следующим уравнением: СхЩ02 (биомасса) + [x+j>/4-z/2] 02 ->хС02 +^/2Н20, Где x, y,z - основные элементы, входящие в, состав биомассы.
ЗАТРАТЫ ЭНЕРГИИ НА ОБОГАЩЕНИЕ БИОМАССЫ
Затраты энергии на добычу ископаемых видов топлива. Биомассу в сыром состоянии можно сравнить с источниками первичной энергии, используемыми в национальном масштабе для обеспечения топливом промышленности, транспорта, жилых помещений и т. д. Эти источники первичной энергии частично расходуются в ходе самого процесса производства топлива.
ТЕХНОЛОГИИ, ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ К ИЗМЕНЕНИЯМ СТОИМОСТИ СЫРЬЯ
Стоимость биомассы. Как было показано в главе 2, издержки по выращиванию и уборке биомассы значительно выше издержек при добыче ископаемых видов топлива. Цены на биомассу, предназначенную для превращения ее в биотопливо, могут быть значительно выше при учете транспортных расходов, импортных пошлин, расходов на хранение прибылей. Цена на биомассу, включающая расходы по доставке, немедленно выключает большинство видов биомасс из производства биотоплива, если только эти расходы не компенсируются субсидиями.
Сухая перегонка, газификация и сжижение
Термическое повышение качества биомассы. Основной целью всех процессов повышения качества биомассы является превращение ее в стабильное транспортабельное топливо, способное заменить ископаемые виды топлива без использования специального оборудования для погрузочно-разгрузочных работ. Путем сочетания нагрева и частичного сжигания биологических материалов можно получить твердые, жидкие и газообразные соединения, обладающие, по крайней мере, некоторыми свойствами угля, нефти и природного газа.
СПИРТ КАК ТОПЛИВО
Экономия на импорте нефти? Пропаганда спирта, полученного путем брожения для использования £го в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания в США, характеризующихся наибольшим потреблением бензина в мире, привела к тому, что каждому аспекту производства спирта, его экономике и термодинамике стало уделяться самое пристальное внимание. Как говорилось ранее, возможности использования спирта в качестве топлива существуют в США только благодаря дешевым зерновым, налоговым льготам за такое использование спирта по линии как федерального правительства, так и правительства штатов, а также стимулированию капиталовложений.
ТЕХНОЛОГИИ, ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ К ИЗМЕНЕНИЯМ КАПИТАЛЬНЫХ ЗАТРАТ
Сложность и низкая продуктивность. В случаях, когда биомасса как сырье обходится дешево, предоставляется бесплатно или с доплатой, капитальные затраты становятся наиболее важным элементом в расчете издержек производства. Крупные и дорогие реакторы, системы подачи твердых частиц и сложные процессы — все эти факторы способствуют повышению первоначальных инвестиционных затрат, затрат по техническому уходу, а также повышению размеров долга, который необходимо погасить.