Использование биомассы в производстве энергии и топлива

Использование биомассы в производстве энергии и топлива в связи с истощением запасов ископаемого топлива находит все большее распространение как в развивающихся, так и в промышленно развитых странах. Согласно различным прогнозам, в 2000 г. удельный вес биомассы в общем энергопотреблении США может достигнуть 5—15 %, при этом объем используемой для производства энергии биомассы возрастет до 128—355 млн. т. Как предполагают, значительная часть указанного объема приходится на древесину. В настоящее время ее потребление для энергетических целей составляет 50,4—61,2 млн. т. у. т.(условного топлива), или ~2 % общего объема потребления энергии в стране. Применение биомассы в энергетике может быть существенно расширено за счет создания спе­циальных плантаций быстрорастущих деревьев.

В стране широко развито энергетическое применение биомассы, получаемой в качестве побочного продукта в пищевой, целлюлозно-бумажной и прочих отраслях промышленности. В ряде штатов (например Луизиана и Флорида) в качестве топлива на сахарных заводам используется жмых, являющийся отходом основного производства. При­меняется также рентабельная технология производства метана из жидких и твердых отходов. Предприятия по производству биогаза (метан) на базе отходов имеются во многих животноводческих хозяйствах стра­ны.

Объем городских отходов, пригодных для переработки в биогаз, оценен в 45—163 млн. т/год. Источником получения газа могут быть также городские отходы, подлежащие захоронению. Объем таких отходов, уже покрытых землей, оценен в 1,8 млн. г. На конец 1985 г. в США действовали 27 установок по извлечению из захороненных отходов биогаза, образующегося в верхних слоях земли в результате анаэробного преобразования отходов; 40 установок были намечены к пуску до конца 2000 г. Основная часть этих установок расположена в шт. Калифорния и вокруг г. Нью-Йорк. Извлечение биогаза осуществляется путем бурения скважин на глубину 10—30 м и создания про­мышленными компрессорами разницы давления между газосодержащими пластами и газосборочными скважинами. После очистки биогаз может использоваться на близлежащих промышленных предприятиях или транспортироваться по газопроводам в районы потребления. Объем выработки такого газа в пересчете на энергетический эквивалент возрос с 844 млн. МДж в 1980 г. до 7280 млн. МДж в 1985 г. Примерно 50 % газа перерабатывается до уровня содержания метана, соответствующего природному газу, остальная часть используется непосредственно в электроэнергетике. Объем газа, который может быть получен из отстоя сточных вод, оценен в 0,56—1,12 млрд. м³/год. Максимальный объем биомассы, пригодной для переработки в метан, к 2020 г., согласно прогнозу, может составить 900 – 1500 млн. т/год, а вероятный—с учетом потерь и наличия экономической заинтересованности—370— 470 млн. т/год.

Использование этанола в качестве добавки к бензину в целях повышения октанового числа экономически выгодно. В США уже 1985 г. на —80 заводах, расположенных по всей территории страны, производили 1,3 млн. т. этанола (при мощности—2 млн. т.) для использования его в качестве топлива.

В 1990 г. производство этанола достигло ~ 10 % общего производства бензина в стране, что составило ~30 млн. тонн. Такое увеличение производства этанола из биомассы способствует сокращению импорта нефти в страну, (в связи с нефтяным кризисом) позволяет улучшить торговый баланс и содействует позитивному развитию сельского хозяйства страны (США).

Сегодня в США и других Латиноамериканских странах метиловый спирт является наиболее перспективным топливам. Его производство постоянно растет и достаточно широко налажено из биомассы. Хотя метанол считается самым дешевым видом топлива, получаемом из биомассы (при крупнотоннажном производстве стоимость метанола составляет 150—200 дол. за 1 м³), однако сегодня он еще значительно дороже метанола, получаемого из природного газа (100 дол за 1 м³). В развитии производства метанола в дальнейшем, видимо, решающую роль будут играть социально-экономические факторы. Министерство энергетики США и заинтересованные ведомства разработали программу использования метанола в топливе М-85 (85 % метанола и 15 % автомобильного бензина). Расширение использования метанольного топлива также приведет к экономии бензина и в конечном счете—нефти.

Из европейских стран наиболее широким использованием биомассы в энергетических целях занимается Франция, Польша и Германия. В 2000 г. во Франции потребление биомассы в энергетических целях составило 5,5—6,0 млн. т н. э. (~2% общего потребления энергии в стране). При этом на начальном этапе развития этой программы, использовались преимущественно древесина и отходы деревообрабатывающей промышленности. Их потребление в качестве источника энергии в последние годы значительно возросло и в 2010 г. достигло 10 млн. т н. э., что составило уже 6 % общего потребления энергии в стране. Использование отходов сельскохозяйственного производства в энергетических целях не столь значительно, как, древесины. В последнее время наибольшее применение из сельскохозяйственных отходов находит солома—один из самых доступных н дешевых видов биомассы. По подсчетам, в стране ежегодно в энергетических целях можно использовать 4—6 млн. т соломы, что соответствует энергосодержанию ~2 млн. т н. э.

Широко внедряются небольшие установки для анаэробной перера­ботки органических отходов, предназначенные для удовлетворения энергетических потребностей животноводческих и молочных ферм, в частности установки для производства биогаза из экскрементов животных. В стране существует достаточная сырьевая база для производства 4 млн. т н. э. в год энергоносителей из отходов животноводства. Стоимость сооружения относительно крупной ферментационной установки (рассчитанной па переработку навоза, получаемого от 50 коров. 500 свиней и 4 тыс. шт. домашней птицы) составляет 200—250 тыс. фр. Максимальный срок окупаемости таких установок определяется в 10 лет.

В отличие от других стран Латиноамериканского региона в Бразилии доля биомассы в общем потреблении энергии в период до 2010 г. возросла с 30 до 40 % вследствие реализации программы производства спиртового горючего из сахарного тростника и отходов производства сахара (основное сырье для выработки этилового спирта в стране). В 1982 г. в Бразилии на долю сахарного тростника приходилось 10,2 % общего потребления энергии, на долю древесины и древесного угля—21,3%. Страна располагает большими площадями пахотных и залежных земель, позволяющими производить в значительных количествах биомассу для энергетических целей. Принятая правительством в 1975 г. национальная программа развития производства этилового спирта (Ргоа1соо1) направлена на сокращение импорта жидкого нефтяного топлива путем частичной замены автомобильного бензина спиртовым горючим. Построено 560 предприятии по производству этилового спирта из биомассы. Их общая годовая мощность, по разным оценкам, составляет от 12 млрд. до 16 млрд. л., а производство спирта из этого сырья в 1985 г. оценивается в 11,5 млрд. л. Из общего количества выработанного этанола 76 % использовалось как топливо. В качестве автомобильного горючего применяют смесь бензина и безводного этанола (22%) или чистый 96%-ный этанол, причем последний используется в автомобилях, составляющих ~ 15 % общего автопарка страны.

По мере роста потребностей в энергии, с одной стороны, и истощения ресурсов ископаемого топлива, с другой, биомасса может стать одним из основных источников сырья для химических производств и энергии. Организация лесоводческих и водных энергетических хозяйств, использование древесины, сельскохозяйственных культур и отходов их переработки, трав и биологических отходов животных— пути создания ресурсов биомассы, способных удовлетворить запросы в них как источниках энергии.

В зависимости от влажности и степени биоразлагаемости биомасса перерабатывается термохимическими методами (прямое сжигание. газификация, пиролиз, сжижение) или биологическими (анаэробная переработка, этанольная ферментация). С их помощью из биомассы можно получить различные конечные энергетические продукты, включая тепло, пар, низко- и высококалорийные газы и различные жидкие топлива.

Одним из самых широко применяемых методов переработки биомассы остается прямое сжигание с целью получения тепла или электроэнергии. Наиболее перспективными процессами превращения биомассы являются термохимическая газификация, ферментация и анаэробная переработка, в результате которых получают синтез-газ, этанол и биогаз (метан), соответственно.

Использование биомассы как источника энергии все более широко распространяется как в промышленно развитых, так и развивающихся странах. В целом, доля биомассы в общих энергоресурсах капиталистического мира в середине 90-х годов составляла примерно 10 %, к концу века достигла 12 %, а к 2020 году предполагается будет составлять 15 и более %.

Из различных видов биомассы наибольшее применение в качестве источника энергии находят древесина и отходы ее переработки, сель­скохозяйственные и биологические отходы животных.

Широкое распространение, особенно в промышленно развитых странах, получает производство биогаза путем анаэробной переработки городских твердых и биологических отходов животных. Так, в США к 1985 г. действовали 37 установок по извлечению биогаза из захороненных отходов. Сегодня таких установок примерно в 50 раз больше.

Большое значение в энергетике начинает приобретать этанол, получаемый из сельскохозяйственного сырья и различного рода отходов и используемый в качестве спиртового горючего как добавка к бензину (10—22%). Для этих целей в США производили в 1985 г. 1,3 млн. м³ этанола (прогноз на 2020 г.~ 20-30 млн. м³). В Бразилии, где осуществляется программа развития производства этилового спирта из сахарного тростника, в 1985 г. уже производилось 11,5 млн. м³ спирта, 76 % которого использовалось в качестве топлива. Сегодня эти значения намного превышены.

Во многих странах в последнее время были приняты программы научно-исследовательских работ по производству и использованию биомассы в энергетических целях. Наибольшее внимание уделяется разработкам эффективных процессов получения из биомассы жидких видов топлив.