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

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

Вклад биоэнергетики в энергобаланс таких стран, как США, ЕС, БРИК (кроме России), растет постоянно.

Около 90 % производственных мощностей биотоплива приходится на США, Бразилию и ЕС.

К 2030 г. в зависимости от региона биотопливо может занять от 10 до 30 % совокупного потребления энергии.

В ЕС производство тепловой и электроэнергии из биомассы к 2020 году возрастёт на 850 ТВт-ч (1012 Вт. ч) по сравнению с 2007 годом до 1 650 ТВт-ч. Данный рост составит около половины всего текущего потребления энергии из угля.

Мировым лидером по использованию твердой биомассы для получения тепла и электроэнергии являются США. В 2007 году в США 42 ТВт-ч электроэнергии производилось из твердой биомассы. На втором месте – Япония (16 ТВт-ч), на третьем – Германия (10 ТВт-ч).

По состоянию на конец 2009 года в США насчитывалось около 80 проектов по использованию твердой биомассы для производства электроэнергии общей установленной мощностью 8,5 ГВт.

К 2010 году в ЕС насчитывалось около 800 электростанций на твердой биомассе (дереве, чёрном щёлоке и т. п.) общей мощностью около 7 ГВт, большинство из которых расположено в богатых лесными ресурсами странах Скандинавии, а также в Германии и Австрии.

Около 4 % электроэнергии в ЕС производится из древесных отходов. В 2010 году спрос на пеллеты в ЕС составил 11 млн. тонн, около 15 % из которых было импортировано из США и Канады. В период с 2008 по 2010 гг. США увеличило экспорт пеллет в ЕС более чем в два раза. В конце 2006 года спрос на пеллеты в США составил 1,4 млн. тонн – около 2 % всей произведенной в США электроэнергии (рост более чем в два раза по сравнению с 2002 годом). Основными потребителям пеллет в США является частный сектор и малые тепло- и электростанции.

Общее производство жидкого биотоплива в мире возросло с 16 млрд. л в 2000 году до 100 млрд. л в 2010 году. Жидкое биотопливо составляют около 3 % всего топлива для транспорта, а также достигает существенной доли в некоторых странах, наиболее активно развивающих данный сектор. В Бразилии в 2008 году доля использования биотоплива в транспортной сфере составила около 21 %, в США – 4 %, в ЕС – 3 %.

По оценкам МЭА к 2050 году доля биотоплива транспортной сфере может увеличиться до 750 млн. т. н. э. (по сравнению с текущим уровнем в 55 млн. т. н. э.) и составить 27 % всего транспортного топлива, позволяя уменьшить объемы выбросов транспорта на 20 % и сократить мировую зависимость от ископаемых видов топлива. (тн. э. – тонн нефтяного эквивалента)

Международное энергетическое агентство (МЭА) оценивает мировое замещение этанолом более 1 млн. баррелей нефтяного спроса в день.

Из всего производимого в мире этанола 80 % имеет топливное применение, 12 % – техническое и 8 % – пищевое.

В 2009 году производство этанола в мире составило 76 млрд. литров (рост на 10 % по сравнению с 2008 г., на 400 % по сравнению с 2000 г.). В 2009 г. ведущие места по производству этанола заняли США, Бразилия и ЕС. При этом на долю США (40,1 млрд. литров -54 %) и Бразилии (24,9 млрд. литров – 34 %) пришлось около 88 % мирового производства этанола.

Второе место из моторных биотоплив занимает биодизель, получаемый из растительных масел и метанола.

ЕС остается основным (около 50 %) производителем биодизеля в мире.

В США масштабы производства биодизеля на фоне этанольного бума выглядят намного скромнее, но прорабатываются программы по наращиванию объемов производства американского биодизеля.

Производство биодизеля в США в 2009 году составило 2.2 млн. м3 и осуществлялось в основном из растительных масел.

Важное место в программах развития биотоплив за рубежом занимает производство биогаза.

Лидером по производству биогаза является ЕС. В настоящее время европейский рынок биогазовых установок оценивается в 2 млрд. долларов США, по прогнозам он должен вырасти до 25 млрд. к 2020 году. В Европе 75 % биогаза производится из отходов сельского хозяйства, 17 % – из органических отходов частных домохозяйств и предприятий, еще 8 % – из отходов сточных вод (установки в канализационноочистных сооружениях).

Первое место по количеству действующих биогазовых заводов принадлежит Германии – в 2010 году их насчитывается более 9 000. Только 7 % производимого данными предприятиями биогаза поступает в газопроводы, остальное – используется для собственных нужд производителя. В 2007 г. объем электроэнергии, производимой с помощью биогаза, составил около 2,9 ТВт-ч. В перспективе 10–20 % используемого в стране природного газа может быть заменено биогазом.

В 2000 году мировой рынок биотоплив оценивался в сумме 866 миллионов $ США. И к 2013 году – 2.14 млрд. $ США.

Прогнозируется, что в следующем десятилетии около 18 млрд. $ будет инвестировано в:

1. Крупномасштабное производство электрической и тепловой энергии из биомассы – 13.9 млрд. $ или 78 %;

2. Производство биогаза 1.3 млрд. $ (7 %) (создание крупных централизованных заводов мощностью не менее 10 тысяч тонн перерабатываемого сырья и производству не менее 0.15 МВт тепловой, электрической энергии и топлива для двигателей).

3. Производство «лендфилл-газа» (свалочного газа из ТБО) – 2.7 млрд. $ или 15 % для получения тепловой и электрической энергии.

Итого, на производство биогаза – 4 млрд. $ США или 22 %.

Синтез-газ (син-газ), смесь газов, главными компонентами которой являются монооксид углерода СО и водород Н», которую можно получать в процессе термической обработки биомассы с использованием различных технологий. В настоящее время известно о нескольких инициативах по реализации проектов в области производства синтез-газа в некоторых странах, например в США, Европе, Японии, Австралии и Индии.

Важным дополнением к солнечной энергии и к одному из ее производных – биоэнергетике в недалеком будущем могут стать МЕТАНГИДРАТЫ, обилие которых найдено в океане. [1-42]. Метангидрат сосредоточен на глубинах от 500 до 2000 метров у берегов некоторых континентов, как правило, на крутых подводных склонах. Есть они в Арктике.

Рис. 1–2. Кусок метангидрата выглядит как грязноватый лёд

Рис. 1–3. Строение конгломерата – „ящичной“ псевдомолекулы, состоящей из кристаллической решётки льда и молекулы метана, находящейся в полости этой решётки

Метановый лед относится к так называемым „ящичным“ соединениям. В них не возникает химических связей между молекулами метана и молекулами воды. Метан размещается в пустотах кристаллической решётки водяного льда. Единичный конгломерат из воды и газа составляют 32 молекулы воды и 8 молекул метана. В одном кубическом метре этого вещества содержится значительно больше энергии, чем в кубометре природного газа (при одинаковом давлении). В ледовых пустотах одного кубометра метангидрата „запрятано“ 164 кубометра газа. Молекулы льда, а значит, и метана уложены здесь более плотно. [1-42].

Метангидрат образуется под давлением на глубине в порах донных осадков из органических веществ иловых осаждений, где они подвергаются анаэробному бактериальному разложению с образованием метана.[1-42]. По приблизительным оценкам, на планете хранится от 10 000 до 15 000 гигатонн углерода в виде метангидрата (гига равна 1 миллиарду).

Огромная масса запрятанного на глубине метана перекрывает по запасам все известные на Земле природные источники энергии. Вопрос только в том, как воспользоваться этим богатством?

Сегодня ещё нет отлаженной промышленной технологии добычи нового топлива.[1-42]. Соединённые Штаты, согласно перспективным расчётам, к 2020 году должны на 30 процентов увеличить потребление энергии. Готовы они использовать и метангидрат: конгресс страны отпустил 42 миллиона долларов на разработку программы включения нового топлива в энергетический баланс страны

Намечено, что к 2015 году начнётся эксплуатация прибрежных хранилищ Метангидрат.[1-42]. Особенно заинтересована в освоении добычи метангидрата Япония. Эта страна стремится освоить коммерческую, промышленную добычу. [1-42]. Бурение в Сибири и на Аляске показало концентрацию газа в порах льда от 50 до 80 процентов. Морские залежи крупнее, но там заполняемость газом равна примерно 20 процентам.

1. Метангидрат 10000

2. Уголь, нефть, газ 3500

3. Растительный мир 1400

4. Вода 980

5. Животный мир 830

6. Торф 500

7. Прочие63

Рис. 1–4. Содержание органического углерода (в миллиардах тонн) в запасах метангидрата и в традиционных резервах топлива

В России, в Сибири, есть месторождение Мессоякское – газовое поле, расположенное в вечной мерзлоте, – единственное место в мире, где обычный природный газ получают из метангидрата. Это довольно мощное месторождение, работающее уже много лет. От него проложен трубопровод до Норильска – крупного потребителя энергии. [1-42]. В отличие от вечной мерзлоты океанские запасы, как уже говорилось, состоят из двух частей: метанового льда, слой которого может превышать несколько сотен метров, и удерживаемого этим слоем газового пузыря.[1-42].