Биоэнергия производится из органических веществ животного или растительного происхождения. На фоне постепенного исчерпания запасов нефти и газа биоэнергетика завоёвывает всё новые позиции.
Содержание:
Современные биоэнергетические технологии
Технологии биоэнергетики позволяют получать энергию физическим, химическим или микробиологическим методом. Основные технологии можно представить следующим образом:
- прямое сжигание (производство тепло- и электроэнергии);
- синтез (получение спиртов и масел);
- газификация, или пиролиз (получение сингаза, водорода, тепло- и электроэнергии). Исходное сырьё нагревается до высоких температур без кислорода, преобразуется в твёрдое вещество и синтез-газ, применяемый вместо природного газа для производства электроэнергии;
- анаэробная ферментация представляет собой разрушение органического сырья бактериями без доступа кислорода. Образуется биогаз и дигестат – органический остаток, используемый в качестве удобрения. После удаления диоксида углерода и сероводорода газ уплотняют, после чего он превращается в биометан.
Биоэнергия в веществах
Растительная биомасса образуется в процессе фотосинтеза. Её основные компоненты – углерод, водород и кислород. Другие элементы – азот, калий и фосфор – присутствуют в малом количестве.
Фотосинтез – это химическая реакция, представленная следующей формулой: CO2 + H2O + солнечный свет → CH2O + O2, где CO2 – углекислый газ, H2O – вода, CH2O – обобщённая формула углеводов, O2 – кислород.
Тогда как использование биомассы для получения энергии выглядит так: CH2O + O2 → CO2 + H2O + тепло.
Таким образом, солнечная энергия сначала аккумулируется растениями, а затем высвобождается в виде тепла. Если на место использованной биомассы будут высажены новые растения, цикл замкнётся, и весь диоксид углерода будет вновь поглощён.
Что относится к биомассе
Биомасса использовалась для получения энергии с древнейших времён. Современное её применение опирается на получение топлива на специальных плантациях, использования любых отходов лесной и сельскохозяйственной промышленности.
По источнику происхождения выделяют вещества растительного и животного происхождения, по стадии использования – первичные и вторичные. К органическим веществам, пригодным для получения энергии, главным образом относят:
- древесину и продукты её переработки (кора, щепа, опилки);
- отходы сельского хозяйства (солома зерновых и кукурузы, сено);
- органические отходы (макулатура, отстой сточных вод);
- урожайность энергетических плантаций (тополя, тростник, мискантус и др.);
- биотопливо (растительные масла, биоэтанол и биодизель);
- биогаз (получают из навоза и осадков сточных вод).
Не смотря на то, что каменный уголь и нефть тоже имеют биологическое происхождение, они не могут называться биомассой в силу того, что их образование не происходит в настоящем времени.
Эффективность биомассы
Эффективность биомассы как источника энергии примерно в два раза меньше, чем угля. Например, при сжигании 1 кг древесины или соломы выделяется от 10 до 14 МДж, в то время как каменный уголь выделяет 25 МДж.
Сравнительные энергетические характеристики видов биомассы (таблица с сайта itexn.com)
Биомасса – условия эксплуатации
Ресурсы являются основным параметром, что определяет эффективность получения энергии.
Энергетические плантации предназначены специально для выращивания энергетических культур. Для этого подходят бедные или истощённые в результате деятельности человека почвы. Один квадратный метр такой плантации способен произвести достаточно биомассы, чтобы получить из неё до 45 кВтч энергии.
Поскольку биоэнергетика также использует отходы сельского и лесного хозяйства, стоимость ресурсов для производства электроэнергии не высока, что делает отрасль конкурентоспособной.
Использование биомассы в России
В России отрасль биоэнергетики развивается не так быстро, как на Западе. В настоящее время производится в основном твёрдое биотопливо в виде дров, топливных гранул и брикетов (прессованные изделия из отходов лесного хозяйства). На дрова и биомассу идёт балансовая древесина, не пригодная для заготовки пиломатериалов. Производятся и экспортируются пеллеты – древесные гранулы цилиндрической или сферической формы.
Из-за развитого животноводства и сельского хозяйства в Южном, Приволжском и Центральном округах страны есть высокий потенциал производства биогаза.
Биохимическая переработка органических отходов
Органические отходы образуются в большом количестве. Они пригодны для получения энергии, а потому являются ценным ресурсом.
Из влажных органических отходов получают биогаз – смесь из углекислого газа (30%), метана (65%) и сероводорода (1%). Биогаз горит синим пламенем, при этом не выделяет дыма и не имеет запаха, становясь альтернативой природному газу. Он образуется на полигонах в результате анаэробного гниения: органика разлагается до сбраживаемых соединений. Газ собирается в теле свалки и при помощи сети трубопроводов подаётся на реализацию.
Виды биотоплива
Биотопливо представлено тремя формами – твёрдой, жидкой и газообразной.
Твёрдое биотопливо
К твёрдому биотопливу относят дрова, топливные гранулы, пеллеты и брикеты. Последние производятся из древесных отходов – опилок, коры, щепы, порубочных остатков и древесины плохого качества, а также отходов сельского хозяйства – биомассы, ореховой скорлупы и т.п.
Жидкое биотопливо
Среди жидкого биотоплива лидирует биоэтанол. Это спирт, получаемый из пищевого сырья (сахарного тростника, кукурузы или зерна) путём ферментации. Больше всего его производят в Бразилии и США. В этих странах его смешивают с бензином.
Биодизель, или метиловые эфиры жирных кислот, получают из растительных масел масличных культур, например, сои и рапса.
Биобутанол, также известный как бутиловый спирт, производится из биомассы сахара, крахмала, древесины или соломы. В последнем случае он называется целлюлозным бутанолом.
У жидких видов топлива есть все шансы в перспективе заменить бензин и дизель, получаемый из нефти.
Газообразное биотопливо
Газообразное биотопливо это биогаз, биометан и биоводород. Биогаз представляет собой смесь углекислого газа, метана и различных примесей. Источником служат бытовые органические отходы, побочные продукты животноводства и сточные воды, которые подвергаются разложению без доступа кислорода. Биометан – очищенный и сжатый биогаз.
Биоводород получают из биомассы двумя способами – биохимическим, то есть при помощи специальных микроорганизмов, и термохимическим, при котором сырьё нагревается в отсутствие кислорода.
Вполне вероятно, что в будущем эти виды топлива заменят природный газ.
Биотопливо для транспортных средств
Самым распространённым биотопливом для транспортных средств является биоэтанол. В США более 6 миллионов грузовых и легковых автомобилей заправляются смесью этанола и бензина, 85% и 15% соответственно (Е85). Этот вид топлива менее «энергоплотен», чем обычный бензин. Это означает, что пробег авто, которые работают на Е85, составляет около 75% от пробега стандартных автомобилей.
В качестве топлива биоэтанол больше всего используется в Бразилии, где даже действует запрет на продажу чистого бензина для заправки авто. Топливо должно быть смесью бензина и этанола, последний при этом должен присутствовать в количестве 20% (Е20). Поскольку стоимость этанола меньше стоимости бензина, часто его добавляют в более высоком процентном соотношении, и он может достигать 40%.
Любые двигатели внутреннего сгорания работают на Е10, однако на чистом этаноле могут работать только так называемые «Flex-Fuel». Их также называют «гибкотопливными» ввиду того, что они могут заправляться обычным бензином или смесью бензина с этанолом в любой пропорции. Считается, что даже незначительная добавка биоэтанола существенно повышает октановое число топлива и снижает токсичные выбросы в атмосферу.
Популярностью пользуется и биодизель. Это второе по распространённости биотопливо для транспортных средств. Активно используется смесь дизеля из нефти и биодизеля.
Биогаз считается наиболее экологичным видом топлива, так как в выхлопных газах практически отсутствуют вредные соединения. Однако для его хранения и использования требуются тяжёлые баллоны. Из-за этого этот вид топлива больше подходит грузовому транспорту.
Негативные последствия производства топлива из биомассы
Органические отходы могут стать прекрасным удобрением. Однако при использовании биомассы в качестве топлива круговорот органических веществ нарушается, и почвы приходится удобрять минеральными удобрениями, которые негативно влияют на окружающую среду. При специальном выращивании энергетических культур используется также большое количество пестицидов, а для создания новых плантаций вырубаются леса.
Плантации энергетических культур конкурируют с сельскохозяйственными, производящими продукты питания. Если в скором времени не удастся добиться интенсификации в землепользовании, то культивирование энергокультур приведёт к росту цен на продовольствие. В ЕС существует закон, по которому энергетические плантации не должны занимать больше 7% сельскохозяйственных земель, что является сдерживающим фактором для отрасли биоэнергетики.
Более того, при сжигании любого топлива (и биомассы в частности) происходит выброс углекислого газа, что приближает глобальное потепление. Теоретически, производство энергии должно быть «углерод-нейтральным», ведь специально выращиваемые культуры уже компенсировали будущий выброс углерода в атмосферу. Но это не так, ведь выращивание этих культур и дальнейшее превращение их в топливо невероятно энергозатратно и сопровождается дополнительными выбросами углекислого газа.
A — «углеродный долг» (в Mг CO2 на гектар, 1 мегаграмм = 106 г = 1 тонна) — количество СО2, которое должно поступить в атмосферу за 50 лет. D — время, необходимое для выплаты углеродного долга. Снизу написан вид топлива и экосистема, которая была на месте плантации до того, как на ней стали возделывать энергетическую культуру (статья Fargione J. et al. в Science).
Будущее энергии биомассы
В секторе биоэнергетики наблюдаются тенденции цифровизации и роботизации. Внедряются новые технологии на производстве. Например, учёные уже задумались над тем, как получать энергию из водорослей.
Биомасса является возобновляемым источником энергии, а потому в мире, где запасы ископаемых ресурсов ограничены, у биоэнергетики есть отличные перспективы развития.
Биоэнергетика. Историческое развитие и цели (официальный сайт МЭА)
