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

Использование не нефтяного сырья не только расширяет ресурсы топлив, но часто позволяет улучшить их экологические характеристики.

В качестве биотоплив наиболее широкое распространение получили биоэтанол и биодизель. [1-52].

Современное мировое сообщество стоит перед необходимостью решения нескольких глобальных проблем с целью создания в ближайшие десятилетия для каждого члена общества независимо от места его обитания достойных комфортных условий жизни и трудовой деятельности.

Особое место среди этих проблем занимают:

Экология. Каждый житель планеты имеет право на максимально полную экологическую безопасность, то есть быть обеспеченным чистой атмосферой (без вредных химических и тепловых выбросов), чистой водой (без различных вредных стоков) и чистой землей для получения экологически чистого полноценного и естественного продовольствия.

Необходимо:

• сохранить баланс диоксида углерода в кругообороте углерода в биосфере без излишних выбросов СО2 и других парниковых газов (Метана) в атмосферу для недопущения теплового перегрева Земли.

• создавать такие производственные технологии в промышленности и сельском хозяйстве, которые бы минимизировали количество сточных вод и других отходов, и, в идеале, вели бы к созданию безотходных технологий.

2. Энергетика. Решение задач, поставленных в п.1 потребует резкого увеличения производства энергии. По мнению академика Е. Велихова в ближайшие 2–3 десятилетия потребление и, соответственно, производство энергии возрастет на 60 % от его мирового производства и потребления в начале 21 века. Увеличение производства энергии должно проходить на фоне создания экологически чистых энерготехнологий, повышения к. п. д. используемых топлив, создания новых постоянно возобновляемых источников топлива и энергии, полного перевооружения промышленности и сельскохозяйственного производства на энергосберегающее оборудование, машины и технологии.

3. Агрохимия и сельскохозяйственное производство. Обеспечение мирового сообщества экологически чистым продовольствием в соответствии с принятыми научно обоснованными нормами потребует:

• повышения урожайности всех без исключения основных продовольственных культур;

• повышения плодородия почв;

• постепенного повышения экологической чистоты почв;

• максимального перехода на применение экологически чистых высокоэффективных органических удобрений при минимальном использовании сбалансированных по каждому региону и почвам минеральных удобрений.

4. Решение социальных проблем. Экологическая безопасность и более высокая энерговооруженность человека должна привести к решению сложнейших социальных проблем (как в странах постиндустриального общества, так и в развивающихся странах):

• улучшение условий быта и труда;

• снижение смертности и доведение детской смертности до минимума;

• снижение заболеваемости;

• повышение продолжительности физиологической и умственной активной жизни.

Решение всех вышеперечисленных проблем и задач, поставленных мировым сообществом, тесно связано с энергичным развитием одного из современных направлений глобальной энергетики – биоэнергетики.

Биоэнергетика – или использование фотосинтезированной биомассы и продуктов ее технической и физиологической переработки и потребления – сопровождала и сопровождает человека в течение всей его эволюции. Именно биомасса и, в частности, ее сжигание и получение тепла, первый и важный шаг в эволюция и развитии homo sapiens.

Многие виды биоэнергетики известны человеку давно: сжигание дров, производство биогаза, производство древесного дегтя и древесного угля, производство спирта (вина).

Задачи современной науки и техники:

• превратить эти древние виды биоэнергетики в более энергоэффективные и рентабельные;

• создавать новые биоэнергетические технологии;

• получить новые виды биосырья для получения топлива и энергии;

• создавать новые энерготехнологии, сочетающие рациональное использование традиционных видов топлива и энергии с применением различных типов биомассы для производства экологически чистых видов тепловой и электрической энергии.

При условии, если к 30-50-м годам настоящего столетия в России электроэнергия и часть тепловой энергии будут производится АЭС, ГЭС и ВИЭ (ветер, вода, солнце, биомасса, приливы и т. д.), то двигатели внутреннего сгорания (мобильные и стационарные) будут, по-прежнему, использовать моторные топлива, в значительной степени получаемые из ископаемых углеводородов (нефть и природный газ).

К середине века потребление нефти в России на душу населения может достигнуть уровня США и тогда дефицит по нефти для РФ может составить более 300 млн. т в год. Этот недостаток необходимо будет заполнить производством альтернативных видов моторных топлив.

Современный мировой транспорт потребляет около 29 % всех энергетических ресурсов. 97–99 % общего потребления энергоресурсов всеми видами транспорта обеспечивается нефтью, причём до 49–50 % от расходуемых нефтепродуктов идёт на производство моторных топлив.

Таблица. 1-6

Нужна ли альтернативная энергетика России? Что Россия будет продавать и сколько нужно добывать нефти в 2030–2050 г.?

До конца текущего столетия двигатели внутреннего сгорания (ДВС) сохранят ведущую роль в транспортной энергетике [4]. То обстоятельство, что разведанные мировые запасы нефти ограничены и неравномерно распределены по различным регионам планеты, создаёт предпосылки для разработки промышленных технологий получения моторных топлив из сырья не нефтяного происхождения. Получаемое из нетрадиционных видов сырья жидкое и газообразное топливо для мобильных установок называют альтернативным моторным топливом [1–5]. Исследования в области производства и применения альтернативного моторного топлива в последнее время активно развиваются в разных странах мира.

Одним из видов альтернативного моторного топлива является биотопливо. Его получают в результате переработки различных видов биомассы – от древесины до отходов агропромышленного комплекса – методами механической деструкции, термохимии и биотехнологий с использованием технологий каталитического синтеза.

Биотопливо подразделяют на жидкое (для ДВС, например, биоэтанол, биометанол, биобутанол, биодизель, биобензин, биокеросин, ДМЭ), твёрдое (дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга, древесный уголь) и газообразное (биогаз – биометан, биоводород, син-газ).

Под биомассой понимается материал биологического происхождения: фотосинтез, далее флора и фауна, а также разнообразные органические отходы технологического, зоотехнического и физиологического происхождения. Поэтому одна из важнейших задач России заменить моторные топлива (бензин, керосин, дизельное топливо) и топочный мазут нефтяного происхождения на углеводороды биологического происхождения.

Современная биоэнергетика становится объектом большой политики.

Вопрос развития биотопливной индустрии становится все более актуальным. Предлагается следующая классификация сырья для производства биотоплива:

1) по источникам происхождения: биотопливо из продуктов и отходов лесопромышленного комплекса, биотопливо из продуктов и отходов агропромышленного комплекса и биотопливо из биологических муниципальных отходов;

2) по физическим свойствам вещества: твердое биотопливо, жидкое биотопливо и газообразное биотопливо.

К твердым источникам биотоплива относятся:

– твердые продукты лесопромышленного комплекса (ЛПК): лес, отходы деревообработки, твердые продукты агропромышленного комплекса (АПК): солома, стебли, жмых, лузга, биологическая часть твердых бытовых отходов (ТБО).

К жидкому биотопливному сырью относятся:

• жидкие продукты ЛПК: черный щелок, метанол, пиролизное масло;

• жидкие продукты АПК: сырые растительные масла, масляный эфир (биодизель), метанол, пиролизное масло из твердого агротоплива;

• жидкая часть биологических муниципальных отходов (иловые осадки сточных вод, пиролизное масло из твердых бытовых отходов).

Важное место среди различных видов жидкого биотоплива занимает моторное биотопливо для транспорта.

Из вышеперечисленных видов биотоплив с биотехнологией сопрягается только производства: этанола, бутанола, частично биоводорода, биогаза, свалочного газа и растительных масел.

Биоэнергетика за прошедшие 20 лет превратилась в мощный самостоятельный сектор мировой энергетики. По масштабам производства и применения в некоторых развитых странах превосходит использование всех других видов возобновляемой и альтернативной энергетики.

С точки зрения динамики и объемов потребления основными сегментами мирового рынка альтернативной энергетики являются биотопливо, солнечная и ветряная энергетика