БИОЭНЕРГЕТИКА:. мировой опыт и прогноз развития

БИОЭНЕРГЕТИКА, ВИДЫ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ И ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА

На сегодняшний день доля возобновляемых источников энер­гии (ВИЭ) в мировом энергетическом балансе невелика — поряд­ка 14%, а вклад биомассы — около 1,8%. Но, как показывает прак­тика, даже незначительные колебания в предложении на рынках энергетических ресурсов вызывают сильные изменения цен. Это говорит о том, что роль альтернативной энергетики в укрепле­нии стабильности на рынках этих ресурсов в перспективе будет только расти.

В структуре альтернативной энергетики в мире энергия био­массы составляет до 13% (рис. 1.1). По прогнозам ученых, доля возобновляемых источников энергии к 2040 г. достигнет 47,7%, а вклад биомассы — 23,8%.

Возобновляемые источники энергии как производные солнеч­ной активности можно подразделить на две категории:

первичные ВИЭ — солнце, воздушные и водные потоки, энер­гия которых преобразуется непосредственно на преобразователях различного рода в необходимую для жизнедеятельности энергию;

4

вторичные ВИЭ — биомасса, использование которой требует переработки с определенными энергетическими затратами в га­зообразные, жидкие и твердые виды топлива.

Новая отрасль энергетики «Биоэнергетика» решает двуеди­ную проблему получения топлива и охраны окружающей среды. Биоэнергетика, с научной точки зрения, изучает механизм пре­образования энергии в процессах жизнедеятельности биологичес­ких объектов.

Источником для производства биотоплива является биомас­са, представляющая собой биологически разлагаемые компонен­ты продуктов и отходов сельского хозяйства (как растительного, так и животного происхождения), лесного хозяйства и связанных с ними производств, а также биологически разлагаемые компо­ненты промышленных и бытовых отходов.

Эффективному энергетическому использованию биомассы в последнее время уделяется особое внимание. В пользу этого име­ются следующие аргументы:

• использование растительной биомассы при условии ее не­прерывного восстановления (например, новые лесные посадки после вырубки леса) не приводит к увеличению концентрации С02 в атмосфере;

• в промышленно развитых странах в последние годы появи­лись излишки обрабатываемой земли, которую целесообразно

зерна, древесина, солома и др.). Данная технология в настоящее время находится на финальной стадии разработки.

Приставка «био-» в традиционных названиях спиртов, исполь­зуемых в качестве моторного топлива, появилась сравнительно недавно, чтобы подчеркнуть их экологическую чистоту. При сго­рании биоэтанола из растительного сырья выделяется в 10 раз меньше углекислого газа, чем при сгорании бензина. Добавле­ние одной части этанола в бензин экономит три части нефти. Спирт — единственный возобновляемый жидкий источник топ­лива, добавление которого к бензину не требует изменения кон­струкции двигателей.

По данным Argonne National Laboratory (США), использова­ние 10%-ной смеси этанола снижает выброс парниковых газов на 12-19% по сравнению с обычным бензином. Например, в 2004 г. использование этанола позволило сократить выбросы парнико­вых газов примерно на 7 млн т, что сравнимо с годовым выбросом газов 1 млн автомобилей.

Биогаз

По своим физико-химическим показателям биогаз близок к природному газу, поскольку основной его компонент — метан. Источниками получения биометана служат продукты метаново­го брожения органических веществ растительного и животного происхождения.

В биогазовой технологии используется процесс ферментиза - ции — разложение органических материалов в результате жизне­деятельности микроорганизмов (специфический природный био­ценоз анаэробных бактерий различных физиологических групп). Основными продуктами этого процесса являются горючие газы (преимущественно метан, водород, моноокись углерода) и гумус. Для получения биометана биогаз очищают от С02 и влаги.

Чисто энергетическая эффективность данной технологии не­высока — в условиях средней полосы России до 70% производи­мого газа потребляется биогазовой установкой. Несмотря на это, технология отличается высокой рентабельностью, так как позво­ляет утилизировать стоки животноводческих ферм, сельскохо-

зяйственные и бытовые отходы, отходы лесозаготовки и дерево­обработки.

Главные преимущества биогаза — наличие местных источни­ков сырья, снижение парникового эффекта и экологического ущерба от систем сбора органических отходов, обеспечение эколо­гически замкнутой энергетической системы.

Анаэробный процесс протекает при температуре 35-45°С без

доступа кислорода в емкость, которая называется метантенком или реактором (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Схема получения биогаза

На эффективность работы биогазо вой установки большое вли­яние оказывает предварительная подготовка исходного субстра­та. Чем меньше размеры частиц органических компонентов ис­ходного сырья, тем больше их удельная поверхность и соответствен­но интенсивнее происходят процессы сбраживания. Так, измельче­ние субстрата до частиц размером менее 1 мм повышает выход био­газа на 20%. Интенсивность метанообразования в значительной мере зависит и от степени однородности исходного субстрата.

В этих условиях под действием имеющихся в биомассе бактерий навоз и птичий помет разлагаются с выделением метана (СН4) — 60-70%, углекислого газа (С02) — 30-40, небольшого количества сероводорода (H2S) — 0-3%, примесей водорода, аммиака и окислов азота.

Теплота сгорания 1 м3 биогаза достигает 22 МД ж (в топливе 6,1 кВт-ч), что эквивалентно: сгоранию 0,6 л бензина, 0,85 л спир­та, 1,75 кг дров или выработке 2 кВт-ч электроэнергии.

Выход биогаза из навоза (помета), полученного от одной го­ловы скота (птицы) в сутки, составляет, м3: коровы — 1,5, бычки на откорме — 1,1, свиньи — 0,2, птицы — 0,012.

Расчеты показывают, что в сельской местности производство биометана может считаться рентабельным при наличии 20 коров, 200 свиней или 3500 кур.

Одним из источников получения биогаза может быть птице­водство. Для определения выхода биогаза принимают, что в од­ном типовом птичнике содержатся 25 тыс. кур, дающих в день до 5 т помета, из которого (при нормальных условиях) выходит 5000 м3 биогаза, т. е. из 1 т куриного помета можно получить мо­торное топливо в количестве, эквивалентном 700 л бензина.

Не менее важным источником получения биогаза служит жи­вотноводство. Из 1 т сухого вещества навоза в результате анаэ­робного сбраживания при оптимальных условиях можно полу­чить 340 м3 биогаза, или в пересчете на одну голову крупного ро­гатого скота в сутки 2,5 м3, а в течение года — примерно 900 м3. Рассчитав энергетический эквивалент такого количества биога­за по отношению к бензину, можно прийти к выводу, что одна корова в год, кроме молока, «дает» более 600 л бензина. Одновре­менно при сбраживании обеспечиваются дезодорация и дегель­минтизация навоза, снижение всхожести семян сорных растений и перевод органического удобрения в минеральную форму. Для пересчета количества биогаза с птицеводческого комплекса на жи­вотноводческий можно пользоваться следующими условными единицами: 1 корова = 4 свиньи = 250 кур.

Количество биогаза, выделяющегося в метантенке вместимо­стью 5000 м3, достаточно для работы генераторной установки мощностью около 200 кВт (табл. 1.2).

Получение биогаза экономически оправдано и является пред­почтительным при переработке постоянного потока отходов (сто­ки животноводческих ферм, скотобоен, растительные отходы и