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

Рис. 2–3. Производство и потребление биомассы в мире в сравнении с общим потреблением энергии. [2–2].

Потребление биомассы растет быстрыми темпами и в развитых странах. В развитых странах биомасса используется весьма интенсивно: Швеция и Австрия обеспечивают 15 % потребности в первичных энергоносителях за счет биомассы.

В ряде развитых и развивающихся стран биомасса используется для получения энергии и топлива. В мире около I млрд. чел. используют древесину как топливо. 1/7 часть используемой энергии обеспечивается за счет биомассы. В таких развивающихся странах, как Эфиопия, Непал, Танзания энергетика на 95 % зависит от использования биомассы, в Нигерена 85, Сомали-, Судане – 85, Бангладеш, Кении -75, Таиланде – 65, Индии.– 55, Боливии – 45, Китае – 35, Бразилии -25, в среднем – на 45 % [2-15].

Приведенные выше цифры весьма оптимистичны, и даже наблюдавшееся в 1985 – 1986 гг. снижение цен на нефть на международном рынке, по мнению крупной фирмы "Аррlied роwer – technology", штат Калифорния, не может оказать влияния на изменение объемов использования биомассы в целях энергетики.

Рис. 2–4. Использование биомассы в качестве источника энергии в мире

Рис. 2–5. Распределение биомассы в мире (Зеленый цвет – биомасса) [2–2].

Интерес к использованию биомассы как источника энергии вызван следующими положительными обстоятельствами: I) биомасса постоянно возобновляется; 2) энергия, запасенная в биомассе, может храниться и использоваться в течение длительного времени; 3) она конвертируется в различные виды топлива; 4) к настоящему времени разработано и создано значительное число биоэнергетических технологий, пригодных к использованию; 5) имеются реальные перспективы в развитии этой отрасли; 6) широкое вовлечение в энергетику различных видов органических отходов; 7) в ряде регионов биотопливо является более экономически выгодным или основным видом энергии; 8) биоэнергетика является источником экологически чистой энергии, не образуются вредные газообразные оксиды серы, не меняется баланс углекислого газа в биосфере. [2-16].

Однако эта новая отрасль энергетики имеет и свои негативные стороны: I) для производства энергетической биомассы нужны земельные площади; 2) производство биомассы требует воды, удобрений и т. д.; 3) стоимость биоэнергии, колеблется в широких пределах и в ряде случаев намного превышает стоимость традиционных источников энергии; 4) биомассу экономически выгодно использовать только локально; 5} значительная часть биомассы содержит более 50 % воды, что удорожает технологии ее переработки в топливо и энергию; 6) продуктивность биомассы зависит от климата и агроусловий; 7) некоторые виды биомассы сезонны; 8) фотосинтез имеет малый КПД; 9) некоторые технологии конверсии биомассы в топливо пока неэффективны; 10) производство биомассы требует изменения сельскохозяйственной и лесоводческой практики; II) биомассу сложнее хранить, чем нефть или природный газ.[2-16].

Количество и виды топлива, получаемого из биомассы, зависят не только от общих объемов воспроизводимой биомассы, но и от качества биомассы: влажности, состава органических веществ, физических особенностей и т. д.

В ближайшие годы основным сырьем для производства энергии и топлива методами биоэнергетической технологии будут служить разнообразные органические отходы. В развитых странах в год на одного человека накапливается до 5 т органических отходов по сухому веществу.

С дальнейшей интенсификацией производства и урбанизацией происходит концентрация отходов. Это, с одной стороны, требует принятия неотложных мер для их утилизации с целью обезвреживания и охраны окружающей среды, с другой – применения прогрессивных, высокоэкономичных технологий их переработки с возможным вторичным использованием, в частности, для получения энергии, органоминеральных удобрений и др.

Как отмечалось выше, биомасса будет трансформироваться в топливо или энергию методами биологической и термохимической конверсии.

Целесообразность использования биомассы в качестве источника энергии определяется ее энергоемкостью и содержанием в ней питательных веществ и золы. В органическом веществе тканей большинства растений содержится 46–48 % углерода, а у водорослей с высоким содержанием жира и, следовательно, с повышенной энергоемкостью оно достигает 54 %.

Рис. 2–6. Целесообразность использования биомассы [2–2].

Вместе с тем наземные растения, как правило, содержат около 5 % золы, в то время как в водных растениях известковых почв количество золы составляет 25 %, 50 % для некоторых видов водорослей (Chard) и 90 % для коралловых полипов (Corallinaceae).

Хотя энергоемкость некоторых водорослей значительно выше энергоемкости наземных растений, однако вследствие относительно высокого содержания золы количество энергии в макрофитах на сухую массу приблизительно такое же, как у наземных растений. При исследовании 11 видов сосудистых водных растений было установлено, что их теплота сгорания составляет 16 353-19058 кДж/г сухой массы. Результаты изучения тканей пяти видов растений из заболоченных земель показали, что содержание золы колеблется от 5,9 % в тростнике обычном (Phragmites communis) до 15,6 % в хвоще речном (Equisetum fluviatibe) при среднем содержании 8,5 % на сухую массу. При этом концентрация азота находилась в пределах 1,2–2,1 % на сухую массу, а соотношение углерода и азота от 20:1 до 30:1.[2–2].

Водорослевые культуры могут быть эффективным источником энергетического сырья только при таком методе сбора урожая, который исключает использование больших площадей и расходование больших количеств воды и питательных веществ. В некоторых случаях питательные вещества могут быть получены из окислительных прудов, предназначенных для обработки культивируемых растений, а водоемами могут служить мелкие, аэрируемые пруды с большим расходом или с рециркуляционными системами. В таких специализированных системах скорость производства биомассы в небольших масштабах может достигать 60 г/м2 сухой массы в сутки.[2–2].

Заболоченные земли с полупогруженными макрофитами характеризуются высокой продуктивностью (до 600 г/м2 сухой массы в год) и относительно большим выходом биомассы. Однако такие земли, как правило, представляют собой относительно небольшие изолированные участки, не говоря уже о том, что, как и для всех растительных источников биомассы, скорость производства биомассы водорослей зависит от времени года. Исключение, по-видимому, составляют районы вдоль побережья Мексиканского залива, где рост водорослей происходит в течение всего года, хотя и очень медленный зимой. [2–2].

Рис. 2–7. Мировой спрос на первичную энергию по источникам,2005 г [2-17].

2.3. Энергетический потенциал биомассы России

Исследования, проведенные в 2005 г. Институтом энергетической стратегии показали, что объем производимых органических отходов АПК и городов по всем регионам России в сумме составлял почти 700 млн. тонн (260 млн. т по сухому веществу) в год:

350 млн. т (53 млн. т с.в.) – животноводство,

23 млн. т (5.75 млн. с.в.) – птицеводство,

220 млн. т (150 млн. т с.в.) – растениеводство,

30 млн. т (14 млн. т с.в.) – отходы перерабатывающей промышленности,

ТБО – 56 млн. т (28 млн. т с.в.),

12 млн. т (2 млн. т с.в.), – . с валовым энергосодержанием 92–93 млн. ту.т. (технический потенциал составляет 90.4 млн. ту.т., экономический потенциал – 53.3 млн. ту.т.).

20 % потенциальной энергии приходится на отходы животноводства и птицеводства,

58 % – на растениеводство,

7.9 % – на отходы перерабатывающей промышленности,

11.9 % – на ТБО и 1.2 % – на осадки сточных вод.

Из этого количество отходов можно ежегодно получать до 73 млрд. куб. м биогаза (57 млн. ту.т.), до 90 млн. тонн пеллет или 75 млн. т «син-газа», который можно конвертировать в 160 млрд. куб. м водорода, а также получить до 330 тысяч тонн этанола, или до 88 млн. куб. м водорода и до 165 тысяч тонн растворителей (бутанола и ацетона).

*Источник: Институт энергетической стратегии

Литература

2-1.Hall D.O., Inst. Chem. Eng. Symp., Sept. 1982, n 72, T6/1-T.

2-2.БИОМАССА(ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ),

2-3. Biomass From Wikipedia, the free encyclopedia Jump to: navigation, search

2-4.Storl E. // Energia. 1988. V. 10. № 1. P. 4.

2-5. Я. М. Паушкин, Г. С. Головин, А. Л. Лапидус, А. Ю. Крылова, Е. Г. Горлов, В. С. Ковач., Получение моторных топлив из газов газификации растительной биомассы, Институт горючих ископаемых.

2-6. Wild W. H. //Erdol-Erdgaz-Kohle. 1989. № 3. S. 101.

2-7.Ramain P. //Cah. fr. 1988. № 236. P. 15.

2-8. Otto O. //Glukauf. 1983. B. 119. S. 335.

2-9.Leth H. //Angew. Botanik. 1972. B. 46. № 1. S. 37.

2-10.Bernard B. //Afrique exp. 1984. № 4. P. 44.

2-11.Masters S. D. World Petroleum Congress, Buenos Aeres, 1991

2-12. Frank E. //Petrol. Econ. 1984. V. 51. № 3. P. 104.

2-13.Коллеров Л. К. Газомоторные установки. М.: Машгиз, 1951.

2-14. File: Metz biomass power station.jpg From Wikipedia, the free encyclopedia, www.google.ru.

2-15. Inter. Bioenergy Directory. Ed. P.F. Bente, Washington: Aver. Council Bioenergy, 1984, p. 1000.

2-16. Панцхава Е.С. и др., Биогазовые технологии, М. 2008, 217стр.