Биоэнергетика

Биоэнергетику можно рассматривать как один из вариантов гелиоэнергетики, в основе которого лежит фотосинтез и последующее высвобождение запасенной в биомассе солнечной энергии в виде тепловой и электрической энергии. Биомасса – наиболее дешевая и крупномасштабная форма аккумулирования возобновляемой энергии.

Термин «биомасса» включает любые материалы биологического происхождения, включая продукты жизнедеятельности и отходы органического происхождения.

Одна из сложнейших проблем на пути к осуществлению заманчивой идеи использования растений в качестве основного энергетического источника заключается в низкой эффективности фотосинтеза как способа превращения солнечной энергии в химическую. Считается, что благодаря фотосинтезу ежегодно в пересчете на сухой вес образуется около 155 млрд. т органической массы, главным образом целлюлозы, которую можно использовать или непосредственно как топливо, или как продукт для получения топлива. Из-за низкого КПД энергетического преобразования пришлось бы значительно увеличить посевные площади для получения энергии в необходимых количествах. Поэтому весьма важно проводить исследования, направленные на увеличение КПД преобразования, использовать наиболее удачные для этих целей растения, по возможности создавать наиболее оптимальный искусственный газовый состав и т. п. Например, если выращивать кукурузу с целью получения энергии, а не на корм скоту, то стоимость такой энергии будет сравнима с нынешней стоимость ископаемого топлива в США. Если использовать для этой цели хвойный лес, в котором бы на арк (1 арк = 0,4 га) приходилось 6 тыс деревьев, и «собирать» урожай раз в 12 лет, то вследствие замедленного роста деревьев и некоторых других факторов стоимость производимой из них энергии возрастает примерно вдвое и составит около 3 долл. за 1 млн британских единиц тепла (1 Btu = 1,05506·10³ Дж ≈1,055 кДж). Многолетние растения имеют одно неоценимое преимущество перед однолетними: урожай с них можно собирать в течение всего года в соответствии с потребностями, и при этом не возникает проблем, связанных с созданием огромных хранилищ «энергетических урожаев», которые заготавливают только определенный сезон. Поэтому для производства энергии обратились к быстро растущим лиственным деревьям, у которых после порубки корни дают побеги, что позволяет избежать ежегодных посадок.

На экспериментальных участках заброшенных пахотных земель в Центральной Пенсильвании выращиваются гибридные тополя. Один из гибридов, высаженный в количестве примерно 3700 деревьев на акр, «производит» энергию стоимостью от 1,25 до 11,45 долл. за 1 млн Btu (по сравнению с нынешней стоимостью 1,97 долл. за 1 млн Btu для нефти и 1,31 долл. за1 млн Btu для угля). Такая плантация может давать около 120 млн Btu с акра в год при КПД энергетического преобразования порядка 0,6 %. Для обеспечения топливом средней электростанции мощностью 400 МВт потребуется плантация площадью 30 тыс акров. Для снабжения топливом, получаемым на «энергетических плантациях» всех электростанций в США, потребуется не более 160 млн. акров даже при коэффициенте преобразования солнечной энергии в топливо, не превышающем 0,4 %.

Ежегодный прирост органического вещества на Земле эквивалентен производству такого количества энергии, которое в десять раз больше годового потребления энергии всем человечеством на современном этапе (таблица 4.2).

Источники биомассы могут быть разделены на несколько основных групп:

1) продукты естественной вегетации (древесина, древесные отходы, торф, листья и т. п.);

2) отходы жизнедеятельности людей, включая производственную деятельность (твердые бытовые отходы, отходы промышленного производства и др.);

3) отходы сельскохозяйственного производства (навоз, куриный помет, стебли, ботва и т. д.);

4) специально выращиваемые высокоурожайные агрокультуры и растения.

Однако наличие биомассы даже в большом количестве еще не означает решения проблемы получения из нее различных продуктов и веществ, в том числе и топлива. Непереработанная биомасса приносит непоправимый вред окружающей среде.

Таблица 4.2. Источники биомассы и примеры переработки

В наши дни древесные отходы уже находят применение: созданы установки, осваивается технология производства генераторного газа и его сжигание. Специалисты считают, что при правильном использовании древесины, древесных отходов и быстрорастущих лесных насаждений может быть покрыто 15 % потребностей в топливе. При современном объеме потребления это составит около 6 млн т. у. т.

В настоящее время использование биомассы дает в Китае более 6 % всей потребляемой тепловой энергии, в США – 6 %, в странах ЕС – 5,7 %, в Бразилии – 32,9 %.

Переработка биомассы в топливо осуществляется по трем основным направлениям.

Первое: биоконверсия, т. е. разложение органических веществ растительного и животного происхождения в анаэробных (без доступа воздуха) условиях специальными видами бактерий с образованием газообразного топлива (биогаза) и/или жидкого топлива (этанола, бутанола и др.). В настоящее время в Бразилии на этаноле, полученном в результате разложения биомассы из отходов сахарного тростника, работает городской автотранспорт и многие личные автомобили. В США этанол получают из отходов кукурузы.

Этанол является хорошим заменителем бензина, при этом в отличие от нефти биомасса является достаточно быстро возобновляемым ресурсом. К биоконверсии относится также получение тепловой энергии при аэробном микробиологическом окислении органических веществ. Так по научному называется компостирование и биоподогрев, о чем знает каждый огородник.

Второе: термохимическая конверсия (пиролиз, газификация, быстрый пиролиз, синтез) твердых органических веществ (дерева, торфа, угля) в «синтез-газ», метанол, искусственный бензин, древесный уголь.

Третье: сжигание отходов в котлах и печах специальных конструкций. В мире сотни тонн таких отходов сжигаются с регенерацией энергии. Прессованные брикеты из бумаги, картона, древесины, полимеров, древесных опилок, бытового мусора по теплотворной способности сравнимы с бурым углем.

К этому направлению можно было бы отнести и сжигание дров в бытовых печах. Но дрова почему-то выведены из понятия биомассы, хотя одна шестая часть годового потребления топлива в мире приходится на древесину и около трети всех срубленных деревьев используется для приготовления пищи и отопления. Реальное потребление древесного топлива в три раза превышает уровень, который показывает статистика. Около половины населения мира использует для приготовления пищи (а это 4/5 расхода в домашнем хозяйстве) и отопления главным образом дрова.