Введение Мировая энергетика почти на 90% зависит от ископаемых энергоресурсов. Ежегодно в мире потребляется около 10 млрд. тонн ископаемых топлив. Из-за быстро растущего энергопотребления (прежде всего, в развивающихся странах) и реальной угрозы спада мировой добычи нефти наблюдается небывалый всплеск интереса во всём мире к альтернативным источникам энергии, в первую очередь, возобновляемым. Однако простые оценки показывают, что принципиального решения проблемы альтернативная энергетика дать не сможет. Все известные возобновляемые источники энергии, включая энергию ветра, гидроэнергию и энергию биомассы имеют своим первичным источником солнечное излучение. Плотность потока энергии Солнца на земной поверхности невысока – всего около 1 Вт/м2, поэтому получение солнечной энергии в количествах сопоставимых с потребностями мировой энергетики, требует громадных площадей – в сотни тысяч км2. Производить в таких масштабах солнечные элементы нереально. Более реальная альтернатива – использование энергии биомассы (зелёных растений). Однако к.п.д. преобразования солнечной энергии в энергию зелёных растений около 1-2% (процесс фотосинтеза). Суммарный объём биомассы в биосфере огромен – около 800 млрд. тонн. Но, во-первых, её ежегодно возобновляемая часть составляет только 200 млрд. тонн. А во-вторых, лишь несколько процентов от этого объёма может быть взято из природного кругооборота без глобального нарушения процессов в биосфере. С учётом низкого к.п.д. процесса фотосинтеза и неизбежных потерь при последующей переработке биомассы в промышленные источники энергии для полного удовлетворения потребностей мировой энергетики потребовалось бы перерабатывать в топливо не менее 10% производимой на Земле биомассы. Таким образом, использование даже практически всей доступной биомассы не сможет удовлетворить энергетические потребности человечества. Согласно подсчётам, при современном уровне развития энергопотребления развитых стран на Земле за счёт возобновляемых источников энергии может существовать не более 500 млн. человек. Рис. 1. Концепция биоэкономики Учёные видят будущее биомассы в замене нефти как источника многих химикатов, используемых в современном мире. Вещи из пластика, краски и клеи можно производить не из нефтепродуктов, а из биомассы. 1 Основные понятия Топливо – это вещество, обладающее потенциальной энергией, которая при сгорании превращается в тепловую, кинетическую энергию. Топливо – горючее вещество, сжигаемое для получения теплоты ( Д.И.Менделеев). Требования, предъявляемые к топливу: при сгорании выделяется большое количество теплоты; сравнительно легко загорается и развивает высокую темературу; достаточно широко распространено в природе, доступно для разработки; дёшево в использовании; длительное время сохраняет свои свойства при хранении; не отравляет окружающую среду при сгорании. Биомасса – совокупность органических материалов растительного и животного происхождения, которые могут использоваться в качестве топлива напрямую или после преобразований (переработки). Биотопливо – топливо, состоящее из биомассы. Биоэнергетика – энергетика, основанная на использовании биотоплива. Использование биомассы в качестве энергетического ресурса имеет ряд преимуществ: биомасса – возобновляемый источник, в особенности, или речь идёт об энергетических культурах или быстрорастущих деревьях; как местный вид топлива биомасса доступна во всех регионах; биомасса как сырьё универсальна, из неё можно получить все основные энергоносители – газ, жидкие и твёрдые топлива; использование биомассы может решить проблему тепло- и энергоснабжения малых предприятий и небольших населённых пунктов; биоэнергетика решает многие экологические проблемы – утилизируются отходы, органического происхождения; при использовании биомассы как возобновляемого источника энергии выбросы СО2 считаются нулевыми; при сжигании древесины высвобождается такое же количество СО2, какое было поглощено в процессе роста дерева. Биотоплива часто называют экологически чистым видом топлива. Действительно, биоэнергетика не способствует изменению, климата за счёт выброса парниковых газов, биотоплива практически не содержат серы, тяжёлых металлов, и, следовательно, сжигание биотоплив не приводит к загрязнению ОС. Однако не нужно забывать о производстве и обслуживании огромного парка машин и механизмов, обеспечивающих выращивание, сбор и переработку растительной массы, а также о топливе, которое сжигают эти машины. Сельское хозяйство процветает, в первую очередь, за счёт интенсивного потребления топлива (в том числе при производстве удобрений). 2 Производство биотоплива может спровоцировать серьёзный кризис в сфере производства продуктов питания. Уже сейчас наблюдается резкий рост цен на зерно и другое продовольственное сырьё. И, тем не менее, ресурсы биомассы в различных её видах имеются практически во всех регионах, и почти в каждом из них может быть налажено производство энергии и топлив из биомассы, что позволит хотя бы частично покрыть энергетические потребности региона. 1. Классификация топлив и биомассы Топливо классифицируют по ряду признаков: 1) По агрегатному состоянию: твёрдое (уголь, сланец, торф, кокс); жидкое (нефть, бензин, дизель); газообразное (природный газ, генераторный газ, биогаз). 2) По происхождению: природное, или ископаемое, или фоссильное (уголь, нефть, природный газ,) искусственное (древесный уголь, бензин, биогаз). 3) По возобновляемости: невозобновляемые (каменный уголь, нефть, природный газ); возобновляемые (биомасса, древесина, солома, тростник, растительные отходы и остатки) Возобновляемым называется сырьё, полный цикл получения которого можно осуществить за краткий (в шкале человеческой жизни) промежуток времени. Таблица 1. Классификация топлив Агрегатное состояние Твёрдое Жидкое Газообразное Происхождение Естественное искусственное Каменный уголь, Каменноугольный горючие кокс, древесный сланцы, уголь древесина Нефть Природный газ, попутные нефтяные газы Возобновляемость Невозобновляемые Возобновляемые Древесина, Каменный уголь, древесный горючие сланцы, уголь, антрацит, бурый древесные уголь, торф гранулы Биодизель, Бензин, дизельное биоэтанол, топливо, керосин, Нефть биобутанол, мазут бионефть Генераторный газ, коксовый газ Природный газ Свалочный газ, биогаз Биомассу также классифицируют по ряду признаков (табл. 2, 3, 4). 3 Таблица 2. Классификация биомассы БИОМАССА Фитомасса Зоомасса Генерируется растениями путём фотосинтеза Масса животного происхождения 6СО2+6Н2ОC6H12O6+6O2 Углеродсодержащая древесина растения зерно морские водоросли Сахаросодержащая сахарный тростник сахарная свекла сорго Отходы животного происхождения навоз птичий помёт трупы животных отходы боен Таблица 3. Классификация биомассы БИОМАССА Первичная Созданная растениями в процессе фотосинтеза древесина специально выращиваемые сельскохозяйственные культуры (кукуруза, зерновые, сахарный тростник) энергетические культуры (быстрорастущий энергетический лес, камыш, тростник и др.) морские водоросли Вторичная Различные отходы сельскохозяйственные отходы (солома, жмых, рисовая шелуха, стебли кукурузы, скорлупа орехов и пр.) отходы животноводства (навоз) древесные отходы (опилки, щепа, кора, корни, ветки и пр.) промышленные отходы (отходы пищевой промышленности: свекловичный жом, виноградные выжимки, семена и косточки, картофельная мезга и др.; отходы масложировой промышленности: лузга подсолнечника, шелуха хлопчатника и др.; отходы гидролизной промышленности: лигнин) осадки сточных вод твёрдые бытовые отходы (бумага, картон, пищевые отходы, листва, скошенная трава и пр.) 4 Таблица 4. Классификация биомассы БИОМАССА Древесная древесина энергетический лес древесные отходы Недревесная отходы сельского хозяйства продукты жизнедеятельности животных и человека сельскохозяйственные и водные растения твёрдые бытовые отходы камыш и другие энергетические культуры Виды биотоплив 1. Необлагороженные твёрдые биотоплива: дрова древесная щепа и стружка древесная кора древесные опилки Перед сжиганием эти топлива обычно подвергаются только сушке. 2. Облагороженные твёрдые биотоплива: древесный уголь древесные брикеты древесные гранулы (пеллеты) 3. Жидкие биотоплива: 4. биоэтанол биобутанол биометанол биодизель бионефть Газообразные биотоплива: биогаз свалочный газ биоводород 5. Отходы: осадки сточных вод твёрдые бытовые отходы промышленные отходы сельскохозяйственные отходы 5 2. Технологии переработки биомассы для энергетических целей Биоэнергетика в последние 10–15 лет стала самостоятельной отраслью большой энергетики и занимает все более заметное место в мировом производстве тепла, электричества и моторных топлив. Всплеск интереса к биомассе связан с истощением запасов ископаемого топлива, стремлением к энергосбережению и национальной энергобезопасности и необходимостью сокращения эмиссии парниковых газов для выполнения обязательств по Киотскому протоколу. Поэтому использование этого возобновляемого источника энергии (ВИЭ) находит все большее распространение как в развивающихся, так и в промышленно развитых странах. Современные технологии энергетического использования биомассы чрезвычайно разнообразны. Они отличаются типом первичной биомассы, процессами переработки, конечными продуктами, и, следовательно, являются специфичными для использования в различных экономических и региональных условиях. Способы переработки биомассы характеризуются также различным типом воздействия на окружающую среду. Классификация способов получения энергии из биомассы по следующим критериям: источник биомассы – способ переработки – получаемый энергетический продукт приведена в таблице 5. Технологии использования биомассы постоянно совершенствуются; так, в технологиях прямого сжигания получила развитие дополнительная обработка сырья, приводящая к существенному повышению энергосодержания продукта (производство пеллет, брикетов и гранул из древесных и растительных остатков). Перспективными являются технологии быстрого пиролиза для получения бионефти из специально выращенных энергетических растений. В последнее время в мире второе рождение переживает метаногенез, т.к. с экологической точки зрения это уникальный процесс, способный уменьшить нагрузку на окружающую среду, перерабатывая органические отходы в газообразное топливо с попутным получением удобрений в биодоступной для растений форме. Благодаря использованию новых мембранных технологий разделения СН4 и СО2 принципиально решена проблема использования биогаза в качестве автомобильного топлива. Одним из возможных кандидатов на биотопливо ближайшего будущего является биобутанол, который можно получать из осахаренной растительной биомассы путем ферментации. Эти технологии основаны на ацетоно-бутиловом сбраживании продуктов ферментативного гидролиза целлюлозных отходов анаэробными бактериями Clostridium acetobutylicum. В этом процессе наряду с бутанолом образуются ацетон и этанол в соотношении 60:30:10. Биодизель – это сложные эфиры (чаще всего метиловые эфиры) жирных кислот и низкомолекулярных спиртов. Сырьем для биодизеля служат жиры, чаще всего растительные масла, и метиловый спирт. Биодизель производят, главным образом, из семян рапса. Мировое производство биодизеля, главным образом из семян рапса. На сегодня главным производителем и потребителем биодизеля остается Европа. Одной из проблем использования биотоплива и развития биоэнергетики в целом является возможность роста цен на продовольствие. Еще одним фактором, вызывающим опасения, является возможная конкуренция между производством «энергетических» и продовольственных культур за сельскохозяйственные угодья. В настоящее время доля сельскохозяйственных площадей, используемых для выращивания биотопливного сырья, 6 остается весьма незначительной – менее 1% от используемой пашни и менее 0,3% от доступных площадей. Однако в случае масштабного роста производства биоэнергетического сырья эту проблему необходимо учитывать. В качестве альтернативы традиционным энергетическим культурам могут выступать фотосинтезирующие микроводоросли – перспективные источники различных видов возобновляемого биотоплива: метана при анаэробном сбраживании, биоводорода, биодизеля из водорослевого масла. По литературным данным продуктивность микроводорослей по биомассе и маслу на порядки превышает продуктивность наземных растений. Таблица 5. Технологии переработки биомассы для энергетических целей Технология производства Исходное сырье Процесс Результат Термохимическая конверсия биомассы Прямое сжигание Газификация биомассы Сжижение биомассы (карбоксилолиз) Пиролиз древесина, в том числе с энергетических плантаций; пеллеты (горючие прессованные брикеты из различных видов биомассы); отходы сельского хозяйства; отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности и т.д. древесина, в том числе с энергетических плантаций; отходы растениеводства (солома, стебли кукурузы); отходы лесоводства; твердые бытовые органические отходы Все виды биомассы в измельчённом виде кукурузная и рисовая шелуха; отходы кофейного производства; отходы лесоперерабатывающей Горение при t=900-2000°C Электрическая и тепловая энергия Сжигание биомассы при t=800-1300°C в присутствии воздуха или кислорода и водяного пара Топливный газ (синтез-газ): смесь H2, СО, СО2, NOх, СН4 Взаимодействие биомассы с СО в присутствии щелочного катализатора в жидкой среде при давлении 150–250 атм, температуре 300– 350°C в течение 10–30 мин. Конверсия сырья без доступа воздуха при t=450– 800°C. Отношение энергозатрат на производство к Вязкая жидкость (η=100 сПз), с температурой кипения 200–350°C, энергоёмкостью в 10 раз больше, чем у исходного сырья 1) бионефть (выход до 80% от массы сухого сырья) 2) углеподобный остаток (до 30– 7 Быстрый пиролиз Синтез биометанола и его производных (биометилтретбутиловый эфир МТБЭ) промышленности (ель, сосна, лиственница, береза, кедр и т.д.); отходы растениеводства (солома, стебли кукурузы); «энергетические плантации» (гибриды ивы, черного тополя, эвкалипта и др.) энергетические сельскохозяйственные культуры (кукуруза, сорго, и др.); бытовые органические отходы, в том числе полимеры искусственного происхождения Те же виды сырья Продукты газификации и пиролиза биомассы, древесина и древесные отходы энергоемкости полученного продукта не выше 5%. 35%), 3) пиролизный газ (до 70%) Конверсия сырья без доступа воздуха при термическом воздействии на биомассу экстремально высоких температур (600– 1400°С) в течение 2–3 секунд 1)Каталитический синтез метанола при высоком давлении и t = 300°C из газов, образующихся при термической конверсии биомассы (СО, H2) 2) Сухая перегонка древесины Этанол, этилен, пропилен, метан, водород, углеводороды, близкие к бензину Метанол, МТБЭ Биотехнологическая конверсия биомассы Метаногенез Производство свалочного газа (лендфилл-газа) отходы животноводства и растениеводства; отходы спиртовых заводов; отходы пищевых производств и твёрдые бытовые отходы; осадки сточных вод; активный ил очистных сооружений; биомасса макро- и микроводорослей, Твёрдые бытовые отходы (ТБО) свалок Анаэробная ферментация в метантенках Биогаз, содержащий СН4 (до 80%), СО2 (до 20%) и примеси (N2, H2, H2S) Сбор биогаза, образующегося на свалках ТБО Биогаз 8 Производство биоэтанола и его производных Производство биобутанола Сельскохозяйственные культуры (сахарная свекла, сахарный тростник, кукуруза, картофель, пшеница, и др.) древесина и отходы лесной и лесоперерабатывающей промышленности Древесина, отходы лесной, деревообрабатывающей промышленности; отходы растениеводства Спиртовое брожение сахар- и крахмалсодержащего сырья, а также биогидролизатов из древесины Этанол, Биоэтилтретбутиловый эфир Ацетоно-бутиловое брожение Биобутанол Получение растительных углеводородов Производство биодизельного топлива Рапс, подсолнечник, соя, кукуруза, пальмовое масло, горчица, сурепица, и др.; некоторые виды микроводорослей; маслосодержащие отходы пищевой промышленности Отжим или экстракция масла из биомассы, переэтерификация и удаление глицерина Биодизель (метиловые эфиры жирных кислот) Перспективные биотехнологии Производство биофотоводорода Производство биоводорода Микроскопические водоросли (хламидомонада), цианобактерии (анабена и др.); искусственные фотохимические системы (хлоропласты, гидрогеназа и др.) отходы животноводства и растениеводства; отходы спиртовых заводов; отходы пищевых производств ТБО; осадки сточных вод . Фотосинтез Биоводород Первый этап анаэробной ферментации Каталитическое и мембранное разделение биосингаза. Биоводород Биоводород 9