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

За последние десять лет производство этих растений увеличилась на 14 % В США, альтернативные источники электроэнергии производят около 13 % электроэнергии;. Биомасса обеспечивает приблизительно 11 % от альтернативных производств энергии.

В настоящее время энергетические потребности мира составляют ~ 11–12 млрд. т условного топлива (у. т.) и удовлетворяются за счет нефти и газа на 58–60 %, угля – на 30 %, гидро- и атомной энергии – на 10–12 % [2–4]. Разведанные запасы нефти, угля и газа приведены в табл. 1 и 2 [2–5].

В качестве источника энергии используется также растительная биомасса [2–6] (дрова и др.) – порядка 1 млрд. т у.т., или 0,7 млрд. т нефтяного эквивалента (н. э.), что составляет почти четвертую часть из добычи и потребления нефти в мире (~3 млрд. т).

Потребность в нефти и других видах современной энергии, вероятно, будет увеличиваться и одновременно будут усовершенствоваться методы энергетического использования растительной биомассы (помимо прямого сжигания.

Таблица. 2-1

Мировые запасы горючих ископаемых, пригодные для индустриальной добычи, млрд. т н. э.

Таблица. 2-2

Извлекаемые запасы горючих ископаемых и прирост биомассы. млрд. т н. э., [2–6, 2–9, 2-11]

Применение возобновляемой растительной биомассы для производства моторных топлив целесообразно и даже необходимо в связи с ограниченностью запасов нефти. По данным XIII Нефтяного конгресса (1991 г.) [2-11], разведанные запасы нефти в мире оцениваются в 140145 млрд. т (160 млрд. м3), которых при современном потреблении нефти в мире может хватить на 35–45 лет.

По отдельным регионам проблемы с запасами нефти стоят более остро: 76 % запасов находится на Ближнем и Среднем Востоке, в Латинской Америке. На остальные регионы остается 24 %, из которых 67 % приходится на СНГ. Учитывая уровень добычи нефти в 1990 г., этих запасов может хватить на 15–18 лет.

Потребность нефти в Российской Федерации – 270–300 млн. т, в целом по СНГ – 450 млн. т (для сравнения – США потребляют около 800 млн. т нефти). В дальнейшем потребление нефти в мире будет возрастать, поэтому, учитывая дефицит нефти, необходимо развивать новые пути получения жидких моторных топлив. Производство моторных топлив из твердых горючих ископаемых не слишком обширно. Так, в ЮАР получают 5 млн. т моторных топлив, для чего затрачивается 27–30 млн. т бурого угля. Эта технология основана на парокислородной газификации угля и получении моторных топлив из синтез-газа на железном катализаторе. Производство синтетических топлив в крупных масштабах с целью замены нефти представляет трудную задачу. Для производства 150 млн. т синтетических топлив (1/2 потребности России) понадобилось бы около 1 млрд. т бурого угля (добыча угля в 1990 г. в Советском Союзе составила около 700 млн. т, в США -800 млн. т).

Доступным и возобновляемым сырьем для производства синтетических моторных топлив является биомасса растений. Например, в Канаде лесная и лесоперерабатывающая промышленность более 70 % необходимой энергии получает из отходов древесины (газификацией и другими методами). В Советском Союзе в период 1940–1950 гг. были созданы установки, работавшие на лесных и сельскохозяйственных отходах при их газификации воздухом с получением газообразного моторного топлива. Ежегодный прирост биомассы растений на Земле составляет от 170 до 200 млрд. т, считая на сухое вещество, что в пересчете на нефтяной эквивалент соответствует примерно 70–80 млрд. т [2–9, 2-10].

В связи с дефицитом нефти целесообразно использовать местные виды топлив – растительную биомассу, бурый уголь, торф, сланцы, различные твердые органические отходы (мусор в городах) при переработке в жидкое топливо. Общее количество различных твердых органических отходов (лесодобыча и лесопереработка, сельское хозяйство, промышленность, бытовой мусор в городах) может быть очень велико. Например, в США оно достигает 1–1,2 млрд. т в год. Из этого количества можно получить около 1/4 моторных топлив, т. е. более 100 млн. т. Однако большая часть отходов не используется, некоторую часть применяют для получения биогаза (смесь СН4 с СО2), другая часть сжигается.

Например, фирма “Боинг” сжигает биомассу (отходы древесины и городской мусор) для получения примерно 60 % тепла, необходимого для обогрева завода “Боинг” площадью 550 тыс. м2 являющегося крупнейшим в мире производственным комплексом [2-12].

Ресурсы ежегодно возобновляемой растительной биомассы энергетически в 25 раз превышают добычу нефти. В настоящее время сжигание растительной биомассы составляет ~10 % от потребляемых энергоресурсов (примерно 1 млрд. т у. т.), в будущем ожидается существенное расширение использования биомассы в виде продуктов ее переработки (жидких, твердых топлив и др.), и в первую очередь отходов, которые скапливаются и разлагаются, загрязняя окружающую среду [2-13].

Биомасса перерабатывается в топливные и химические продукты различными методами: пиролизом, гидролизом, газификацией, гидрогенизацией и др. Эти процессы осуществляются на передвижных или стационарных установках.

2.2.Источники биомассы

Древесина является типичным источником биомассы.

Объем производства биомассы в мире составляет 146 млрд. тонн в год, состоящий в основном из диких растений. Энергию биомассы получают из шести различных источников биоэнергии: бытовых отходов, древесины, энергетических растений, отходов агропромышленных комплексов, свалочного газа, и алкогольного топлива.

Биомасса может быть преобразован в другие полезные формы энергии: газ метан или транспортные топлива – этанол, бутанол, биодизель и биоуглеводороды.

Широкие перспективы для рентабельного производства различных видов энергии и топлива открывает использование для этих целей пресных и морских водорослей.

Энергия созданная путем сжигания биомассы (дров), также известна как dendrothermal.

ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ БИОМАССЫ.

Химический состав биомассы может различаться в зависимости от ее вида. Обычно растения состоят из 25 % лигнина и 75 % углеводов. К наиболее важным категориям углеводов можно отнести целлюлозу. Лигниновая фракция состоит из молекул не углеводного (производные фенолов) типа.

Рис. 2–1. ТЭЦ в городе Мец, Франция.45MW котел использует биомассу отходов древесины в качестве источника энергии. [2-14].

ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ БИОМАССЫ [2–2].

Двуокись углерода из атмосферы и вода посредством фотосинтеза (квантов световой энергии) образуют "строительные блоки" биомассы. Таким образом, солнечная энергия, сохраняется в химической форме в безмассовой структуре. При окислении биомассы (сжигание) кислородом атмосферы вновь образуется двуокись углерода и вода. Процесс циклический, потому что двуокись углерода может вновь участвовать в производстве новой биомассы.

Рис. 2–2. Упрощенный углеродный цикл.[2–2]

В течение тысячелетий люди добывали энергию Солнца, сохраненную в вы-де энергии химических связей, сжигая биомассу в качестве топлива или употребляя ее в пищу и для технических изделий. Ископаемые виды топлива также являются продуктом длительной биологической и термохимической конверсии древнейшей биомассы. В течение миллионов лет на Земле остатки фауны и флоры превращаются в топливо.

Биомасса считается одним из ключевых возобновляемых энергетических ресурсов будущего. Сегодня она обеспечивает 14 % потребления первичной энергии. Для трех четвертей населения человечества, живущих в развивающихся странах, биомасса является самым важным источником энергии. Увеличение населения и потребления энергии на одного жителя, а также истощение ресурсов ископаемого топлива приведут к быстрому увеличению спроса на биомассу в развивающихся странах. В среднем, в развивающихся странах биомасса обеспечивает 38 % первичной энергии (а в некоторых странах 90 %). Весьма вероятно, что биомасса останется важным глобальным источником энергии в развивающихся странах в течение всего 21 века.[2–2].

Ежегодный прирост биомассы на земле составляет 220 млрд. тонн (по св.), что позволяет запасать в виде энергии химических связей до 4 х 10 21 Дж энергии.

Мировое годовое коммерческое использование всей энергии составляет 3.9 х 10 20 Дж, что в 10 раз меньше запасаемой энергии.

Например, энергетическое содержание производимых в мире сельскохозяйственных отходов составляет 93 х 1018 Дж./год. Допуская, что только 25 % их реально использовать, отходы могут обеспечить около 7 % мировой энергии.

Городские твердые отходы – ТБО также могут быть важным источником энергии. Только в США их ежегодно образуется около 320 млн. тонн, или по 1 т/год на человека. В развивающихся и слаборазвитых странах эти величины соответственно меньше, но можно полагать, что ежегодно в мире в городах накапливается несколько млрд. тонн ТБО [2-16]. Если считать, что, в среднем, ТБО содержат 60–65 % органических веществ растительного и животного происхождения, то по аналогии с фотосинтетической биомассой ежегодное содержание энергии в ТБО может составлять 4–6 х 1018дж.