Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз. Теория и практика. Монография - Евгений Панцхава

Евгений Панцхава

Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз: Теория и практика: монография

Предисловие

Предлагаемая читателю монография, прежде всего, посвящается выдающимся отечественным ученым и специалистам, стоявшим у истоков создания отечественной биоэнергетики задолго до ее активного развития за рубежом: академикам АН СССР – В.Н. Шапошникову, А.И. Опарину, Н.М. Сисакяну, Н.Д. Иерусалимскому, Е.Н. Кондратьевой; членам-корреспондентам АН СССР – С.И. Кузнецову, Н.В. Букину, И.В. Березину; академикам АН Лат ССР – М.Е. Бекеру, У.Э. Виестуру; профессорам – В.Я. Быховскому, В. А.Зуеву, Л.Л.Гюнтер, А. А. Ковалеву, Л.Л. Гольдфарбу, Г.Д. Ананиашвили, В.В. Алексееву; инженеру-технологу И. С. Логоткину, инженерам – В. А. Пожарнову, Н. И. Майорову, И.И. Школе, Т.Я. Андрюхину, В.М. Шрамкову, П.И. Гридневу, В.П. Лосякову, И.В. Семененко, В.Б.Костяку, Л.И.Монгайту, специалистам ГКНТ СССР В.И. Доброхотову, М.И. Фугенфирову, Н.Л. Кошкину, И.Х. Нехорошему, Скабиеву Е.М., Шкапкину В.И. и другим.

В книге представлены зарубежные и отечественные достижения по всем современным направлениям бурно развивающейся Биоэнергетики как самостоятельного сектора общей мировой энергетики, ее теоретическим основам, технологиям, оборудованию и практическому применению..

Большое внимание уделяется теории и практики природного метаногенеза как сложнейшего биологического процесса, активно участвующего в кругообороте углерода в биосфере, роли этого процесса в эволюции живого на земле, его глобальному участию в образовании ископаемых углеводородов.

В книге в значительном объеме использованы и цитируются работы, обзоры и монографии выдающихся зарубежных ученых и специалистов как в области биоэнергетики, так в области биологического метаногенеза и его практического применения.

Книга рекомендуется для специалистов России, работающих в указанной области, для студентов, аспирантов и преподавателей кафедр, факультетов, вузов, изучающих и развивающих отечественную биоэнергетику.

Автор.

Часть первая

Биоэнергетика: мир и Россия

Глава 1. Введение

1.1. Биоэнергетика – самостоятельный сегмент мировой энергетики

«Бурить на глубинах приходится потому, что все сложнее найти новые месторождения. И чем труднее добыть нефть, тем больше ущерб от добычи окружающей среде. Проблема принимает глобальные масштабы, нужно искать новые решения, которые будут в гармонии с природой, и которые можно будет контролировать».

Сжигая уголь, практически сжигают только углерод [1-45]. При сжигании нефти на каждый атом углерода приходится два атома водорода, т. е. на каждый потребленный атом углерода нефти выделяется вдвое больше энергии, чем при сжигании угля. А это значит, что при полной замене нефти или газа на уголь его необходимо будет сжигать вдвое больше, что приведет к резкому увеличению углекислого газа в атмосфере. В 1958 г. количество углекислого газа в атмосфере составило 315 млн. т, а в 1980 г. 338 млн. т, т. е. увеличилось за 22 года на 7 %, тогда как в 1880 г. эта цифра составляла 290 млн. т, или за 100 лет концентрация CO2 в атмосфере увеличилась всего на 15 %. Таким образом, темпы роста концентрации CO2 в атмосфере с каждым годом увеличиваются, что приводит к усилению "парникового эффекта" и повышению температуры на земном шаре.

Температура атмосферы Земли увеличивается не только за счет усиления "парникового эффекта", но, как впервые указал на это лауреат Нобелевской премии, един из создателей отечественной атомной энергетики, создатель теории цепных реакций академик Н. Н. Семенов, и благодаря постоянно увеличивающемуся тепловому загрязнению.

Постоянное сжигание в огромных количествах ископаемых топлив или создание других мощных топливных носителей приводит к постоянному выбросу тепла в биосферу. Сегодня человечество за счет различных источников энергий производит до 5 1019 кал тепла в год, что составляет 1/20 000 часть падающей солнечной энергии на Землю или 1/5000 солнечной энергии, поглощаемой массой Земли. В среднем производство энергии увеличивается на 5 % в год. При таких темпах через 200 лет человечество будет производить столько же тепла, сколько дает Солнце, что скажется на изменении теплового баланса Земли. [1–2]

Рис. 1–1. Н.Н. Семенов. 1896–1986 гг.

Перегрев Земли на 3–4 °C может привести к серьезным негативным последствиям.

Какой же вывод следует из всего вышесказанного?

Существующим технологиям производства энергии необходимо противопоставить технологии, основанные на использования экологически чистой энергии, при сохранении круглогодичного баланса СО2 в атмосфере и при минимальном тепловом загрязнении атмосферы.

В качестве таких основных источников энергии на Земле в будущем следует рассматривать, с одной стороны, ядерную, получаемую как в результате деления тяжелых ядер, так и синтеза легких, с другой – солнечную энергию [1–3].

Благодаря прямому использованию различных форм солнечной энергии (солнечного тепла и фотоэлектрического эффекта, энергии ветра и процесса фотосинтеза) можно избежать теплового загрязнения, твердых и газообразных выбросов в атмосферу, и существенно уменьшать потребление ископаемых топлив [1–4].

Преимущества использования солнечной энергии очевидны:

Во-первых, исключается тепловое загрязнение среды, потому что не выделяется дополнительная тепловая энергия. Единственным источником тепловой энергии служит Солнце.

Во-вторых, при использовании солнечной энергии исключается возникновение побочных продуктов и отходов. Использование солнечной энергий доступно повсеместно, что позволяет лучше использовать природную среду.

Ветровая энергия – производная солнечной энергии – также не загрязняет окружающую среду.

И наконец, продукт фотосинтеза – биомасса, конвертирование которой в топливо возможно несколькими путями, причем, некоторые из них самым тесным образом связаны с охраной окружающей среды.

Все перечисленные модификации солнечной энергии и ее производные не ограничены во времени и будут действовать, пока светит Солнце.

Очень тесно с проблемами современной энергетики смыкается другая стоящая сегодня перед человечеством проблема – это охрана окружающей среды. Успехи современной науки и техники достаточно наглядно демонстрируют, что эти две проблемы могут решаться одновременно. Речь идет о разработке научных методов и технологий получения энергии и топлива при одновременном решении вопросов, связанных с охраной окружающей среды из-за непрерывно поступающих в биосферу органических загрязнений.

Поэтому интенсивное и рациональное использование человечеством падающей на Землю экологически чистой солнечной энергии является одним из перспективных магистральных путей получения необходимой энергии и топлива. Важное место принадлежит биологический методам конверсии, При фотосинтезе энергия Солнца конвертируется а энергию химических связей органических веществ, соединяемых общим термином "биомасса". Термин "биомасса" охватывает все виды веществ растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности человека и животных, органические отходы перерабатывающей промышленности и сельского хозяйства.

Скрытую химическую энергию можно с помощью ряда биологических или термо-химиических процессов превратить в удобные для использования виды топлива или энергии. [1-45].

Топливно-энергетический комплекс России играет важную роль в экономике страны. На ее территории сосредоточено 1/3 мировых запасов природного газа, 1/10 нефти, 1/5 угля и 14 % урана. [1–1]. Через семь лет (2020 г.) добыча нефти в России может откатиться к уровню 2004 года, прогнозируют эксперты «Российской Газеты». Если в 2012 году уровень добычи нефти составил 518 миллионов тонн, то через пять-семь лет этот показатель может сократиться до 420–450 миллионов тонн. И это намного ниже, чем официальный прогноз [1-46]. Современные проблемы энергетики могут быть решены только при рациональном использовании всех существующих на Земле и околоземном пространстве источников топлива и энергии [1-45].

Биоэнергетика – фундаментальное и прикладное направление возникло на границе современных биотехнологий, химической технологии и энергетики, изучает и разрабатывает пути биологической конверсии солнечной энергии в топливо и биомассу и биологическую и термохимическую трансформацию последней в топливо и энергию[1-45].

Внедрение в народное хозяйство достижений биоэнергетических технологий прежде всего зависит от решения задач, связанных с интенсификацией процессов конверсии органического сырья в топливо и крупномасштабным производством самой биомассы.

Только при серьезном фундаментальном исследовании можно создать высокоэффективную отрасль народного хозяйства, отвечавшую воем требованиям современного научно-технического прогресса [1-45].