Биоэнергия: технология, термодинамика

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. Желательно сохранить ископаемый уголь, нефть и газ

как компоненты источников первичной энергии, побудивших нас к про­ведению подсчетов энергетических затрат. Биомасса уже потребовала в процессе ее подготовки некоторых затрат первичной энергии. Сколько еще необходимо энергии для превращения сырья в пригодные для ис­пользования виды топлива, и насколько эти количества сравнимы с за­тратами энергии, необходимыми для производства топлива из ископае­мого сырья? На этот вопрос нельзя дать точного ответа, так как провести сравнения по затратам энергии трудно. Цифры, приведенные в этом раз­деле, в лучшем случае, лишь приближенно раскрывают потребность в пер­вичной энергии при производстве возобновляемых и не возобновляемых видов топлива.

Затраты энергии при производстве некоторых видов топлива из ископаемого сырья даются в таблице 57 [1]. В таблице показаны общие затраты энергии на единицу массы топлива и отношения использованной энергии к полученной. За исключением электроэнергии, только неболь­шая часть теплотворной способности топлива используется для его производства. Так как нас с самого начала интересовало истощение ис­копаемых ресурсов, теплотворная способность самого топлива прини­малась как вводимый ресурс; что касается биомассы, то энергию источ­ника образования углеродсодержащих молекул — Солнца мы не учиты­ваем.

Однако мы включаем в наши расчеты стоимость получения био­массы. Как говорилось в разделе 5.2, типичные затраты энергии при создании биомассы (за исключением древесины) составляют 4-5 ГДж/т сухой массы. Энергоемкость этой биомассы составляет в среднем 18 ГДж/т сухой массы (игнорируя содержащуюся воду); таким обра­зом, энергетическое соотношение (отношение энергии затраченной к энергии полученной) составляет 0,25. Целью процесса обогащения био-

массы, описанного раньше, является превращение биомассы в продукты получаемые в настоящее время из ископаемых-источников, т. е. в твер­дые, жидкие и газообразные горючие вещества, жидкие виды топлива для двигателей внутреннего сгорания и получения электроэнергии.

Сжигание древесины. Простое сжигание биомассы должно пред­ставлять простейший случай затрат при производстве возобновляемой энергии. Как было указано в предыдущем разделе, затраты на произ­водство высушенной, измельченной древесины составляют около 5 ГДж/т, или около '/4 ее теплотворной способности. Такая древесина при минимальной адаптации оборудования может непосредственно вы­ступать в качестве заменителя угля, затраты энергии на производство которого сравнимы с его теплотворной способностью. Поэтому исполь­зование древесины даст чистую экономию ископаемого угля и нефти в национальном масштабе, даже при необходимости оплаты энергетиче­ских затрат в лесоводстве. Древесина широко используете# во всем ми­ре, хотя часто без лесовозобновления (что ставит под вопрос использо­вание термина ’’возобновляемый”). Нерешенным вопросом, связанным с затратами энергии по производству древесины, является вопрос зара­ботной платы, капитальных вложений, прибыли и т. д., который не вклю­чался в анализ энергетических затрат. Этот показатель зависит от струк­туры общества и представляет большую проблему при проведении ана­лиза энергетических затрат. С одной стороны, денежные затраты пропор­циональны содержащейся энергии [11], и лесное хозяйство в целях производства топлива функционировать не будет, в основном вслед­ствие того, что в большинстве стран оно дорого и, кроме того, погло­щает большое количество энергии, будучи к тому же неэкономичным. С другой стороны, косвенные затраты энергии, возможно, могут быть снижены путем резкого изменения характера потребления общества, и представленный энергетический ^анализ может сохранить свою силу. Почти все остальные виды биотоплива требуют использования больше­го количества энергии, чем древесина, и косвенные затраты на заработ­ную плату, прибыль и т. д. становятся второстепенными вопросами, хотя они и увеличивают общую сумму затрат. Сушка, термическое обогаще­ние, биохимическая переработка и т. д. — все эти процессы требуют боль­ших затрат энергии, прежде чем мы получим топливо, сравнимое по сво­им характеристикам с топливом из ископаемого сырья.

Процессы термического обогащения. В литературе имеется крайне мало данных по энергетической характеристике термического обогаще­ния биомассы. Для таких процессов часто рассчитываются простые теп­ловые балансы, при этом может быть сохранена значительная доля теп­лотворной способности сырья. Термическая эффективность таких про­цессов явно представляет интерес в плане сравнения преимуществ раз­личных предложений и получения наибольшего выхода готовой про­дукции. Однако это не отвечает на вопрос об экономии ископаемого топлива. В таблице 58 показан тепловой баланс при производстве синте­тического натурального газа из дерева [12]. В ходе процесса теряется ;около трети теплотворной способности сырой биомассы.

К этим потерям следует добавить все косвенные затраты энергии, связанные с оборудованием и финансированием самого процесса, а так­же финансированием вспомогательной деятельности, например очистка стока и т. д. Превысит ли сумма всех элементов общие затраты энергии на получение натурального газа (1,2 ГДж/ГДж, таблица 57) — здесь мож­но только строить предположения.

Биохимические_процессы. Затраты энергии, связанные с брожением спирта, явились предметом пристального внимания в литературе, и они будут рассмотрены в следующем разделе. Другой биохимический про­цесс, анаэробное брожение, был рассмотрен Льюисом [13], который пришел к выводу, что простые системы, применявшиеся на Дальнем Востоке, могут быть чистыми производителями энергии, хотя точных данных по этому вопросу не имеется. При использовании более сложных систем общие прямые и косвенные затраты могут превысить количество энергии, полученной в форме метана. В одном примере по использова­нию отходов животноводства при общей затрате энергии 82,5 ГДж ко­личество полученной энергии метана соответствовало 32 ГДж. При воз­делывании водорослей на каждый гигаджоуль метана требовалось 3 ГДж энергии. Даже эти цифры говорят о том, что может быть возможным в ближайшие годы, а не о том, что уже было достигнуто. Таким образом, продукты анаэробного брожения — сомнительный кандидат на исполь­зование в качестве заменителя ископаемого топлива. В этих исследова­ниях рассматривались только ограниченные затраты энергии. Количество энергии, необходимое, например, для очистки стока, не учитывалось.

Растительные масла: Насколько известно, процесс производства ра­стительных масел не подвергался всестороннему энергетическому анали­зу*. Общие затраты энергии на производство этих потенциальных видов топлива могут быть очень низкими. Затраты энергии на. производство сои, как указывалось в предыдущем разделе, составляют около 4 ГДж/т

сухой массы, а экстрагирование масла требует относительно небольших энергетических затрат. Соевое масло оценивалось по методу отношения затрат к выходу энергии по соответствующим отраслям [6]; затраты составили 18 ГДж/т, в то время как теплотворная способность масла составляет около 43 ГДж. И хотя здесь также учитывались не все энер­гетические затраты, полученные показатели позволяют поставить расти­тельное масло в один ряд с древесиной как возможных производителей чистой энергии.