Энергия биомассы

Общие сведения

Под биомассой подразумевают все органические вещества растительного и животного происхождения. Органических веществ, которые могут использоваться в целях получения энергии, великое множество. К ним относятся древесина и отходы ее переработки, имеющие доминирующее значение, продукция сельского хозяйства, а также отходы ее переработки. Все эти вещества можно классифицировать по различным признакам:

• по источнику происхождения:
  • растительные;
  • животные;
• по стадии использования:
  • первичные;
  • вторичные.

Первичная (растительная) биомасса используется человечеством с незапамятных времен — со времени овладения огнем. Растительная биомасса (фитомасса) образуется в результате фотосинтеза в виде полимеров, содержащих в основном углерод (C), водород (H) и кислород (O). Кроме того, в фитомассе в малых концентрациях присутствуют фосфор, азот, калий, а также следы многих других элементов.

С энергетической точки зрения биомассу можно рассматривать как аккумулированную солнечную энергию. Энергетическое использование биомассы предполагает либо непосредственное сжигание, либо производство промежуточных энергоносителей: твердых, газообразных или жидких биотоплив.

Процесс фотосинтеза может быть в общем виде представлен следующей реакцией:

CO₂ +H₂O+солнечный свет→CH₂O+O₂,

где CH₂O — обобщенная формула для углеводов (сахар, крахмал, целлюлоза). Энергетическое использование биомассы в конечном счете определяется реакцией

CH₂O+O₂ →CO₂ +H₂O+тепло.

Сопоставление этих двух реакций показывает, что в результате фотосинтеза и использования созданной биомассы реализуется замкнутый цикл, в котором солнечная энергия аккумулируется, запасается и затем превращается в полезное тепло. Этот цикл нейтрален по отношению к выбросам CO₂ при условии, что на место использованной биомассы будет посажено новое растение, при росте которого весь диоксид углерода будет вновь поглощен.

Биомасса обладает рядом существенных преимуществ как ВИЭ. К ним можно отнести:

• распространенность и доступность;
• всесезонность;
• возможность получения различных конечных продуктов (кроме традиционного сжигания с получением электроэнергии и тепла можно получать синтез-газ, бионефть, этанол, биогаз, биоводород);
• снижение антропогенной нагрузки на окружающую природную среду. В атмосферу выделяется при использовании биомассы столько же диоксида углерода, сколько его поглощается при росте биомассы. Кроме того, в отличие от органических топлив, биомасса не приводит к выбросу в атмосферу таких загрязняющих веществ, как тяжелые металлы, оксид углерода, оксиды серы.

Биомасса как источник энергии играет существенную роль в мировом энергетическом балансе. Сегодня вклад биомассы в мировой энергетический баланс оценивается в 12–13%, хотя надежный учет некоммерческого использования дров затруднен.

Ежегодно в мире образуется около 220 млрд т биомассы по сухому веществу, что по теплотворности эквивалентно около 4000 ЭДж. Для сравнения общее годовое потребление энергии в мире составляет около 430 ЭДж.

Наибольший удельный вес биомасса имеет в энергетических балансах развивающихся стран Африки и Азии, где для приготовления пищи, обогрева и освещения традиционно используются дрова. В последние годы значительно увеличилась доля биомассы в энергетических балансах и развитых стран (табл.5.1).

Причины такого увеличения кроются в постоянном росте цен на ископаемые топлива, в первую очередь на нефть и газ, и понятном желании стран обеспечить свою энергетическую безопасность. В 2003 г. доля биомассы в общем энергетическом балансе Европейского союза составила 3,6%, что несколько выше, чем вклад всех остальных ВИЭ (3,4%).

Коммерческое энергетическое использование биомассы в основном ориентируется на отходы лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности. В некотором объеме используются сельскохозяйственные отходы (солома, жмых, лузга и т.п.).

Наряду с растительными отходами в мировой печати обсуждается вопрос о создании специальных энергетических плантаций. На таких плантациях должны высаживаться высокопродуктивные, быстро растущие растения, которые целиком используются для энергетических целей. При этом основным условием является непрерывное возобновление посадок на месте срезанных растений. В этом случае CO₂, выбрасываемый в атмосферу при энергетическом использований растений, будет вновь вовлекаться в процесс фотосинтеза. Эти же идеи лежат в основе выращивания микроводорослей, например хлореллы.

При всей принципиальной привлекательности этого подхода перспективы широкого распространения энергетических плантаций не очевидны. Для таких плантаций нужны земля, вода, удобрения, т.е. все то, что необходимо также и для производства продовольствия. При дефиците продовольствия в мире конкуренция будет складываться не в пользу энергетики.

Важным и достаточно большим источником биомассы являются твердые бытовые отходы (ТБО). По оценкам средний городской житель производит 300–400 кг ТБО в год. При средней теплотворности ТБО 5–6 ГДж/т это означает, что в городе с населением в 1 млн человек за счет ТБО можно получить 2–3 ПДж/год энергии.

В основном отходы сжигаются в энергетических установках сравнительно небольшого масштаба либо самостоятельно, либо в сочетании с углем. Непосредственное сжигание отходов в промышленных топках затруднено из-за малой объемной плотности энергии. Поэтому в последнее время отходы перед сжиганием брикетируют или превращают в так называемые пеллеты. Эта последняя технология получила особенно большое распространение. Например, в США годовой объем производства пеллет превышает 0,7 млн т, а их энергетический эквивалент составляет около 12 ПДж.

Для производства пеллет биомасса вначале измельчается до размера частиц порядка 3 мм и высушивается. Затем эта масса под высоким давлением выдавливается с помощью винтового экструдера. В результате образуются твердые цилиндрики с длиной до 10–15 мм и диаметром около 5 мм, имеющие теплоту сгорания 5 кВт·ч/кг. Поскольку процесс проводится при высоком давлении, масса разогревается и добавка связующих (в отличие от брикетирования) не требуется. Процесс требует заметных затрат электроэнергии — 50–100 кВт·ч/т пеллет, что приводит к удорожанию пеллет по сравнению с исходным сырьем на примерно 50 долл. США/т. Сегодня в США пеллеты продаются по цене около 6 $/ГДж и пользуются большим спросом.

Современные биоэнергетические технологии

Биоэнергетика в последние 10–15 лет стала самостоятельной отраслью энергетики. Во многих странах мира ее вклад в энергобаланс стран превышает суммарный вклад остальных ВИЭ.

Современная промышленная биоэнергетика представлена различными технологиями.

• Термохимические технологии:
  • прямое сжигание — получение тепловой и электрической энергии;
  • производство пеллет — получение тепловой и электрической энергии, сингаза, водорода, жидких нефтеподобных углеводородов;
  • газификация — получение сингаза, водорода, тепловой и электрической энергии;
  • фест-пиролиз — получение жидких углеводородов;
  • синтез — получение метанола;
• Биотехнология:
  • производство биоэтанола — энергоснабжение транспорта;
  • производство биодизельного топлива — энергоснабжение транспорта;
  • производство биоводорода — энергоснабжение транспорта, получение тепловой и электрической энергии;
  • производство биогаза — энергоснабжение транспорта, получение тепловой и электрической энергии.

В условиях России ведущее место займут современные высокорентабельные биогазовые технологии, разработанные отечественными учеными и специалистами. На втором по значимости месте будет производство пеллет и газификация — пиролиз, далее — получение этанола из отходов сахарного производства.

Для производства биогаза могут быть использованы все органические отходы АПК. Из отходов растениеводства можно получить до 135 млн т пеллет, конвертировать их в 133 млрд м³ синтез-газа, а из него, в свою очередь, произвести до 69 млрд м³ биоводорода.

В России ежегодно образуется около 60 млн т ТБО, 130 млн т отходов животноводства и птицеводства и 10 млн т осадков сточных вод. В основе биохимической переработки отходов животноводства и птицеводства лежит анаэробное сбраживание. В результате этого процесса органическая масса отходов определенными штаммами бактерий превращается в биогаз (до 70% метана и 30% диоксида углерода).

Биохимическая переработка органических отходов

При биохимической переработке разложение органических отходов происходит в результате жизнедеятельности анаэробных бактерий. Такие бактерии обычно присутствуют на дне болот или в других местах, где нет доступа воздуха, и в результате их жизнедеятельности органические вещества разлагаются с выделением биогаза.

Биогаз, образующийся при анаэробной (без доступа воздуха) переработке различных веществ и отходов (табл.5.2), состоит из 50–70% метана, 30–45% диоксида углерода, 1–2% сероводорода, а также примесей водорода, аммиака и окислов азота. Теплота сгорания его составляет примерно 22–27 МДж/кг.

В мелких установках биогаз сжигают непосредственно в газовых горелках низкого давления, при этом возможна коррозия оборудования из-за наличия диоксида углерода и, особенно, сероводорода.

В крупных установках, а также на перерабатывающих отходы заводах, отпускающих биогаз для жилищно-коммунальных и промышленных потребителей, производят очистку от примесей. Содержание метана в газе доводится до 99,8%, а теплота сгорания составляет до 37,3 МДж/кг. Очищенный метан собирается в резервуары, откуда уже поступает потребителям по газопроводам.

При анаэробной переработке отходов, помимо биогаза, получаются ценные (богатые азотом) удобрения, уменьшаются загрязнения окружающей среды и др.

Технология анаэробного сбраживания нашла широкое применение в животноводческой отрасли. Данная технология утилизации органических отходов обеспечивает на животноводческих объектах высокую степень обеззараживания отходов, получение органических удобрений в кратчайший срок, а также выработку нетрадиционного энергетического топлива — биогаза.

На рис.5.1 представлена принципиальная схема непрерывной анаэробной переработки органических отходов. Навоз из ферм подается в резервуар подготовки исходного сырья 1, в котором производится тщательное перемешивание, удаление твердых веществ и увлажнение до 94–96%. Подготовленное сырье подается дозировочным насосом 2 в метантенк 3, где осуществляется процесс сбраживания под действием бактерий. Образующийся биогаз удаляется из верхней части метантенка в газгольдер 5, откуда идет потребителям, а остаток сброженного навоза (удобрение) из нижней части поступает в сборник удобрения 7, из которого уже вывозится на поля.

Процесс сбраживания может производится в мезофильном, при температурах 20–40 °C, и термофильном, при 45–70 °C, режимах. Для поддержания требуемой температуры осуществляется подогрев сырья в метантенках прокачкой через змеевики горячей воды, подготовленной в котле 9. Доля биогаза для такого подогрева составляет обычно 20–30% от суммарного его выхода из метантенка.

Количество вырабатываемого биогаза и качество удобрений зависит не только от температуры, но и от продолжительности сбраживания сырья в метантенках. В частности, при продолжительности сбраживания навоза 5 сут количество вырабатываемого биогаза составляет 50%, 10 сут — 90% и 20 сут — 98% от максимально возможного. В зависимости от принятой продолжительности сбраживания сырья определяются необходимый объем метантенка и количество добавляемого в него свежего сырья. Для интенсификации процесса сбраживания часть биогаза из газгольдера подается компрессором 4 обратно в метантенк, при этом происходит и перемешивание всей массы в метантенке.

На рис.5.2 представлена схема комплексного использования термальных вод, где из скважины 8 часть термальной воды направляется в теплообменник 9 для подогрева сырья в метантенке 3, а другая часть воды поступает в тепличный комбинат 10. Из теплообменника термальная вода направляется в систему подпочвенного обогрева грунта и далее с более низкой температурой (25–28 °C) поступает в рыборазводный бассейн 12, куда также поступает другая часть воды из тепличного комбината.

Использование биомассы в России

В России имеется огромный биоэнергетический потенциал (табл.5.3). Прежде всего, это лес, занимающий 60% территории страны и производящий ежегодно почти четверть мирового прироста биомассы. Однако вклад биомассы в потребление энергии весьма незначителен. Цифры, характеризующие этот вклад, сильно разнятся в зависимости от источника, причем речь идет не о процентах, а о разах. Если ориентироваться на официальные цифры Роскомстата, то вклад составляет около 20 млн т у.т. По экспертным оценкам потребление биомассы в России составляет не менее 70 млн т у.т.

По данным на 2005 г., общее количество органических отходов АПК составило 624,2 млн т (225 млн т сухих веществ — с.в.) с общим валовым энергосодержанием 80,6 млн т у.т.

С появлением в России фермерских хозяйств возникла необходимость в создании достаточно простых в использовании комплексов по производству биогаза из органических отходов.

Индивидуальная биогазовая установка ИБГУ-1, разработанная Центром «ЭкоРос» (г. Москва), предназначена для безотходной переработки любых органических отходов, образующихся в фермерских хозяйствах, с получением биогаза и экологически чистых органических удобрений. Эти удобрения богаты азотом, фосфором, калием и другими необходимыми для жизнедеятельности растений макрои микрокомпонентами. Одна тонна таких удобрений соответствует примерно 80–100 тонн органических отходов (навоза). Суточный объем обрабатываемых органических отходов может колебаться от 50 до 200 кг при влажности до 85%. Суточный объем выделяемого биогаза, в зависимости от объема загружаемого органического сырья, колеблется от 3 до 12 м³. Биогаз содержит метан (55–60%) и диоксид углерода, его теплота сгорания достигает 25 МДж/м³, что эквивалентно 0,7 л мазута или 3,5 кг дров. Его можно использовать в быту для приготовления пищи, отопления помещений, сжигать в топках котельных.

Установка состоит из биореактора (рис.5.3) объемом 2,2 м³ и газгольдера мокрого типа объемом 3 м³ (рис.5.4). Установка перерабатывает в сутки навоз крупного рогатого скота от двух до шести голов (до 200 кг в сутки) или навоз 20–60 голов мелкого рогатого скота и свиней.

Кроме того, в качестве сырья можно использовать отходы растительного происхождения, такие как капусту, солому, стебли кукурузы и подсолнечников, а также пищевые отходы.

Применение таких технологий дает возможность одновременно решить ряд проблем:

• санитарно-экологическую (ликвидация и обеззараживание отходов);
• энергетическую (получение качественного топлива — биогаза и, следовательно, тепловой и электрической энергии);
• агрохимическую (получение высокоэффективных органических удобрений);
• социальную (улучшение условий труда и быта населения, увеличение урожайности сельскохозяйственных культур при сокращении применения химических удобрений, ядохимикатов и средств защиты растений).

Комплект ИБГУ-1 производится серийно и в полной заводской готовности транспортируется на одном КАМАЗе с полуприцепом. Она рассчитана для работы в любых климатических условиях.

Биогазовые установки ИБГУ-1 и БИОЭН-1 выпускают АО Центр «ЭкоРос», АО «Стройтехника—Тульский завод», АО «Юргинский машиностроительный завод», АО «Заволжский авторемонтный завод».

Автономный биоэнергетический модуль для среднего фермерского хозяйства (БИОЭН-1) предназначен для безотходной, экологически чистой переработки органических отходов сельскохозяйственного производства (навоза, помета, твердых бытовых отходов, пищевых отходов, растительных остатков) в газообразное топливо — биогаз, конвертируемый далее в электрическую и тепловую энергию, и экологически чистые органические удобрения.

Состав оборудования модуля: два биореактора-метантенка по 5 м³ каждый, газгольдер мокрого типа на 12 м³. Модуль может быть также укомплектован биогазовым теплогенератором мощностью 23 кВт, электрогенератором мощностью 4 кВт, бытовой конфорочной биогазовой плитой, инфракрасными горелками на биогазе мощностью 5 кВт.

Площадь помещения, отапливаемого БИОЭН-1, составляет от 150 до 200 м2; суточное количество перерабатываемых отходов при влажности 85% — до 1 т; количество вырабатываемого биогаза (60% метана — до 40 м³/сут; количество вырабатываемой электрической энергии — до 80 кВт·ч/сут, тепловой энергии — до 230 кВт·ч/сут; количество вырабатываемых органических удобрений — 1 т/сут; собственные потребности в энергии на поддержание термофильного процесса составляют 30%.

Модуль «БИОЭН-1» может собираться в батареи из двух, трех и четырех комплектов.

Биогазовые технологии могут эффективно использоваться в любом климатическом регионе России. Причем, они дают возможность производить не только газообразное топливо, но и высокоэффективные органические удобрения, получившие торговую марку БИОУД. Высокая эффективность удобрений БИОУД объяснятся действием ауксинов (биологических стимуляторов роста растений), которые повышают биологическую активность растения, ускоряют усвоение углекислого газа и увеличивают накопление зеленой массы. Для обработки 1 га угодий достаточно 1 т БИОУД.

АО «Энерготехнология» (г. Санкт-Петербург) выпускает термохимические газогенераторы. В таком газогенераторе в результате термической переработки из биомассы получается газообразное топливо, которое может быть использовано без дополнительной очистки для сжигания в топках паровых и водогрейных котлов, в различных технологических установках для нагрева и сушки, стационарных двигателях внутреннего сгорания с получением электроэнергии, коммунальнобытовом хозяйстве для получения горячей воды и обогрева жилых помещений. Исходным сырьем для газогенератора являются любые органические отходы.

В табл.5.4 приведены характеристики биоэнергетических установок, производимых в России. Установки серийно выпускаются, срок окупаемости в некоторых случаях исчисляется месяцами, тем не менее широкого спроса на них нет. Вопросы энергоснабжения на местах часто решаются явно себе в убыток, предпочтение отдается привозным ископаемым топливам, когда под рукой имеются практически неограниченные запасы биомассы.

За несколько лет в России сформировался новый для нашей страны бизнес — производство биотоплива (древесных гранул, брикетов, топливной щепи). По мнению экспертов, только в Северо-Западном регионе количество предприятий по производству такого топлива за 5 лет выросло в 10 раз. Ожидается, что через несколько лет производство топливных гранул в стране увеличится еще 3–4 раза.

Специфика нового бизнеса в том, что он ориентируется в основном на экспорт, причем если предприятия, расположенные в европейской части России, предлагают свою продукцию прежде всего в страны Скандинавского полуострова, Италию, Германию и другим европейским потребителям, то их коллеги из Сибири рассчитывают и на восточные рынки. Например, руководство открывшегося в конце 2006 г. завода по производству пеллет на базе деревообрабатывающего комбината «Енисей» (Красноярский край) планирует поставлять свою продукцию в Японию, а со временем, возможно, и на российский рынок.

По экспертным оценкам в России производится около 30 тыс. т пеллет. Однако прямое сложение производственных мощностей всех российских предприятий по выпуску пеллет дает величину почти на порядок большую — 280 тыс. т.

Производство пеллет из отходов растениеводства (соломы, стеблей, шелухи, ботвы и т.д.) может составить до 147 млн т. Ведущими Федеральными округами могут быть Южный, Приволжский, Центральный и Сибирский (выделены в табл.5.5).

Южный федеральный округ способен с избытком удовлетворить потребности в топливе и энергии не только своего АПК, но и округа в целом: сельское население округа 9,7 млн чел., их потребность в обеспечении электроэнергией на современном уровне может составить (из расчета 3–4 кВт ·ч/(чел·сут)) — 14 млрд кВт·ч/год, для чего потребуется биогаза до 6 млрд м³/год, или 21% от его возможной выработки (28 млрд м³). Округ расходует в год до 3,4 млн т бензина и до 4,3 млн т дизельного топлива, для их замещения необходимо до 15,4 млрд м³ биогаза. Таким образом, только за счет производства биогаза округ в целом может также обеспечить топливом транспорт и сельскохозяйственные машины.

Россия имеет возможности интенсивного развития практически всех современных направлений использования биомассы для энергетики. Кроме того, возможен экспорт отдельных видов биоэнергоносителей, в первую очередь пеллет и транспортного этанола. Российские разработки в области технологий и оборудования по газификации и пиролизу древесины, производству этанола из сахарного и крахмалистого сырья, получению и использованию биогаза и биоводорода соответствуют мировым требованиям.

Автономные теплоэлектростанции на пиролизном топливе

Растительная биомасса в виде отходов деревообработки и растениеводства может служить альтернативой ископаемому энергетическому сырью (уголь, нефть, газ) при производстве тепла и электроэнергии. Современные технологии конверсии растительной биомассы позволяют получать твердое, жидкое и газообразное углеводное топливо, которое в отличие от углеводородного имеет высокие показатели экологической безопасности и обеспечивает устойчивое развитие регионов, удаленных от месторождений ископаемого топливного сырья.

Пиролиз — термохимическая переработка органического вещества в бескислородной среде, который является наиболее универсальным технологическим методом производства биотоплива. С помощью этого метода можно в очень широких пределах управлять соотношением твердой (древесный уголь), жидкой (бионефть) и газообразной (пиролизный газ) фракций продуктов переработки растительного сырья, изменяя температуру и продолжительность процесса. Любая из этих фракций пригодна для комбинированного производства тепла и электроэнергии тем или иным известным способом, из которых наиболее традиционным является сжигание в паровых котлах с последующим преобразованием энергии пара в электричество в паровых турбинах.

Газовые турбины имеют самый высокий КПД, однако эффективно они используются при мощностях более 500 кВт(э). При меньших мощностях используются дизельные или бензиновые двигатели внутреннего сгорания, которые могут быть успешно адаптированы для работы на пиролизном топливе.

Автономные мини-ТЭС на биотопливе включают модуль пиролиза и дизель-генераторный агрегат. Основными элементами модуля пиролиза являются реактор, в котором органические компоненты исходного растительного сырья при нагреве разлагаются с образованием и переходом в паровую фазу более легких соединений, и конденсатор, в котором часть парообразных продуктов, охлаждаясь, переходит в жидкое состояние (бионефть). Несконденсировавшаяся часть продуктов образует пиролизный газ. Отношение массы жидкого продукта к массе газообразного может варьироваться от 0,1 до 5 в зависимости от температуры и продолжительности термохимического процесса. Кроме жидкой и газообразной фракций реактор производит некоторое количество твердого продукта, который по своим физико-химическим свойствам близок к древесному углю. Термохимический процесс является энергозатратным. Значительная часть энергии, подводимой к реактору извне, расходуется на нагрев и испарение влаги, содержащейся в растительной биомассе. Включение камеры предварительного удаления влаги в состав модуля пиролиза позволяет значительно снизить общие энергозатраты при производстве биотоплива.

На рис.5.5 показана функциональная схема мини-ТЭС, включающая в себя модуль пиролиза и дизель-генераторный агрегат.

Весь вырабатываемый модулем пиролиза газ через фильтр тонкой очистки подается в ДВС электрогенераторного агрегата. Бионефть собирается в емкость, откуда часть ее возвращается в модуль пиролиза для сжигания и поддержания требуемой температуры в реакторе. Тепло, выделившееся в конденсаторе, а также отработанных газов ДВС утилизируется в теплообменнике для производства горячей воды. При необходимости излишки бионефти также могут быть использованы в качестве печного топлива в системе теплоснабжения и обеспечения потребителей горячей водой. Древесный уголь может применяться в качестве как топлива, так и сырья для производства стали, адсорбционных фильтров и т.д.