Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
2.4.1.Био- энергия
Одним из перспективных направлений альтернативной энергетики является биоэнергетика. Это направление объединяет способы получения энергии из отходов, биотоплива из растений, использования нетрадиционных видов топлива. В биоэнергетике используют мусор со строительства, от вырубки леса, от производства бумаги, от фермерских хозяйств, мусор с городских свалок и так же вырабатываемый естественным образом метан.
Биомасса может служить возобновляемым источником энергии для человечества, заменой традиционных угля, нефти, газа.
Созданием топлива из биомасс активно занимаются практически во всем мире (в Финляндии потребности в горючем уже на 20% удовлетворяются за счет биотоплива, в ЕС по использованию биомассы в качестве источника энергии лидирует Германия). Конечно, надо понимать, что полностью заменить нефть биотопливом удастся не скоро. А пока необходимо проводить дальнейшие исследования в этой области [ 2.90 ].
Биотопливо относится к альтернативным источникам энергии. Впрочем, к подобным источникам относят любые, которые не являются производными от классических ископаемых углеводородов – природного газа и нефти. Фактически даже древесина, которую человечество использует столетиями для получения тепловой энергии, по этой классификации является альтернативным вариантом.
Альтернативные источники энергии отличаются экологичностью и возобновляемостью, а в некоторых случаях и бесконечностью, как, к примеру, солнечная энергия или энергия движения воздушных масс. Биотопливо представляет собой продукт биологического происхождения, твердый, жидкий или газообразный.
Изготовление и применение биотоплива позволяет получать автономию от других энергетических источников, а заодно и решить проблему утилизации разнообразных органических отходов [2.91].
В использовании биологического топлива есть свои минусы и одним из них является высокая стоимость, которую требует производство биотоплива. Основные технологии производства биотоплива представлены на рис.2.78.
Рис.2.78 . Основные виды производства биотоплива.
Например, топливные гранулы (пеллеты), как и топливные брикеты, производятся из опилок, других древесных отходов, шелухи подсолнечника, соломы. Растительная масса помещается в биоустановки, , где происходит измельчение. Получается практически мука из отходов растительного производства. Затем жидкость выпаривается и полученная масса готова к прессовке.
Технология изготовления топливных брикетов во многом напоминает производство пеллет. Различие в форме готового продукта. Отходы сельскохозяйственного и деревообрабатывающего производства также мелко рубятся и при высоком давлении прессуются.
Некоторые виды сырья для производства брикетов необходимо нагревать до очень высокой температуры – до 350 градусов. В древесном сырье очень много лигнина, поэтому прессование, как правило, хорошо осуществляется. При использовании однолетних растений лигнина не хватает, поэтому производство топливных брикетов из соломы идет с добавлением связующих веществ.
В России при разработке Энергетической стратегии до 2020 года предусматривается переход на путь инновационного и энергоэффективного развития; изменение структуры и масштабов производства энергоресурсов; создание конкурентной рыночной среды; интеграция в мировую энергетическую систему [2.92].
Одним из главных приоритетов является развитие рыночной инфраструктуры энергетики (рыночные механизмы, институты открытой торговли энергоресурсами, инфраструктура их транспорта). Поддержка и стимулирование стратегических инициатив в энергетике являются основой для реализации крупных энергетических проектов в будущем.
Большинство представленных в Энергетической стратегии России на период до 2020 года направлений реализуются на практике, хотя очень медленно и не в полном объёме. При этом задействуются все предусмотренные ею механизмы государственной энергетической политики.
В частности, осуществлена реформа электроэнергетики, происходят либерализация рынка электроэнергии и реформа атомной энергетики, созданы более благоприятные налоговые условия в нефтегазовом комплексе, стимулируется развитие нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий, развивается биржевая торговля энергоресурсами, устраняются избыточные административные барьеры в деятельности энергетических компаний. Активно реализуются инфраструктурные проекты, являющиеся основой развития отечественной энергетики.
В России лишь с наступлением 21 века производством биотоплива заинтересовался бизнес и началось производство из отходов древесины топливных гранул и брикетов. Именно эта область биоэнергетики и является приоритетной в России до настоящего времени.
Медленно, но верно производство жидкого биотоплива в России всё же набирает темпы. На первый план выходит дефицит технологического оборудования для этих целей, чем Россия до сих пор похвастаться не может. Однако, другого выхода нет: надо самим браться за разработку и внедрение необходимого технологического оборудования для заводов биоэнергетики.
Если есть спрос, то есть и предложение. В европейской части России есть уже ряд компаний, которые успешно трудятся над разработкой и внедрением биоэнергетических технологий, научились самостоятельно изготавливать необходимое оборудование для производства биотоплива.
" Так почему же у нас с таким скептицизмом смотрят на производство биотоплива в массовых масштабах? Тем более, технология его настолько проста, что некоторые фермеры имеют в запасе "пару литров" горючего собственного "замеса". Для получения биодизеля "в домашних условиях" достаточно добавить в традиционный бензин процентов 10 метилового спирта и можно с успехом работать на тракторах и комбайнах - пахать, сеять, убирать урожай.
Морально нравственный аспект борьбы даёт в значительной части отрицательный эффект: пойди убеди часть населения, что горючее во всём цивилизованном мире принято сжигать в двигателях, а не пить и травиться. Трудно научить слона танцевать летку-еньку, а папуаса не бить орехи ноутбуком. Но приходится"[2.93].
Для России биоэнергетика является одним из наиболее перспективных видов возобновляемых источников энергии (ВИЭ). И прежде всего – в области использования отходов. Львиная доля тех немногих инвестиций, которые в РФ были направлены на развитие ВИЭ, также пришлись на биоэнергетику. Однако серьезных позиций в энергобалансе страны биоэнергетика по-прежнему не занимает, причина тому – целый ряд бюрократических и рыночных препятствий.
Аналитики исследовательской компании AEnergy полагают, что в сегменте ВИЭ именно биогазовая энергетика является наиболее конкурентоспособной. Речь идет о том, что наибольший потенциал биоэнергетики в РФ заключен в утилизации отходов – аграрно-промышленного, деревообрабатывающего секторов, пищевой промышленности, а также бытовых отходов. Эксперты оценивают общий технический потенциал биомассы в РФ в 15 000-20 000 МВт. (для сравнения: мощность всех АЭС России составляет около 23 600 МВт). Производителям биоэнергии необходим гарантированный сбыт произведенной электроэнергии – чего в российских условиях пока не наблюдается [2.94].
Россия заметно отстала не только от стран Западной Европы и Северной Америки, но даже и от партнеров по БРИКС. Тем не менее, как полагают аналитики, именно биоэнергетика может стать тем локомотивом, который приведет к дальнейшему развитию и других видов ВИЭ в России.
Практически все федеральные округа России располагают основными, возобновляемыми источниками энергии (энергия солнца, энергия ветра, малая гидроэнергетика, энергия биомассы), и имеют потенциально необходимые возможности для создания интегрированных энергетических комплексов для производства тепловой и электрической энергии и моторного топлива.
Площади под посевы высокоэнергетических культур в Европе и других странах ограничены, а мощности перерабатывающих заводов не загружены, поэтому в ближайшие годы Россия может более эффективно реализовать свой земельный потенциал (примерно 9% от мировой пашни) — около 40 млн. га невостребованной пашни под создание энергетических плантаций, а также более полно использовать около 1 млрд. т. биомассы ежегодно.
Вместе с тем, в России проводятся научно-технические изыскания,связанные с биотопливом. Учёные из Московского физико-технического института и Сколковского института науки и технологий выяснили точный химический состав перспективного биологического топлива из одноклеточных водорослей.
Морские и пресноводные водоросли производят основную часть кислорода на нашей планете. Водоросли набирают массу в несколько раз быстрее других фотосинтезирующих организмов, из-за чего многие исследователи рассматривают их в качестве основного кандидата на роль полноценной замены бензина и других видов топлива. Кроме высокой скорости роста, водоросли имеют массу других преимуществ : для их выращивания не нужно полей, а одноклеточный характер упрощает их переработку в топливо.
Было обнаружено, что биотопливо, которое изготавливают из сжиженных водорослей, оказалось не похоже по своим свойствам на нефть или другие нефтепродукты. Его невозможно сварить из обычной растительной биомассы, потому что одноклеточный планктон содержит в себе слишком много воды. Его трудно высушить и переработать химически. Поэтому водоросли превращают в биотопливо, нагревая их до температуры в 300 °C и одновременно сжимая, что фактически имитирует возникновение нефти в недрах Земли [2.95].
В результате этого процесса биомасса делится на жидкое топливо и густую смолу, которая накапливается на дне реактора. Исследователи вымочили водоросли в парах "тяжёлой" воды и щелочей перед тем, как превратить их в биотопливо. Тяжёлая вода и щёлочи содержат атомы дейтерия. Молекулы, содержащие дейтерий, будут иметь другой спектр по сравнению с их обычными версиями. Это позволило не только выяснить формулы всех компонентов биологического топлива, но и понять их трёхмерную структуру. Морское биотопливо состоит из веществ, большая часть из которых не имеет ничего общего с углеводородами и прочими элементами, содержащимися в нефти.
Дальнейшая работа будет сконцентрирована на использовании сортов водорослей с максимально высоким содержанием жиров, чтобы выбрать самое эффективное сырьё для производства биотоплива.
Ключевой проблемой биоэнергетики в РФ аналитики считают тот факт, что биогазовые установки являются прибыльными только при бесплатном и бесперебойном снабжении отходами.
Кроме того, производителям биоэнергии необходим гарантированный сбыт произведенной электроэнергии – чего в российских условиях пока не наблюдается. Ряд законодательных инициатив уже одобрен правительством. В том числе, это комплексная программа развития биотехнологий в РФ до 2020 года, существенную роль в которой играет и биоэнергетика. На ее поддержку в общей сложности будет выделено 367 млрд. рублей.
Отмечается, что для развития сектора потребуется довольно много времени – по показателю доли ВИЭ в генерации электричества и тепла Россия заметно отстала не только от стран Западной Европы и Северной Америки, но даже и от партнеров по БРИКС. Но практически все федеральные округа России располагают основными, возобновляемыми источниками энергии и имеют потенциально необходимые возможности для создания интегрированных энергетических комплексов для производства тепловой и электрической энергии и моторного топлива. По данным Росстата, потенциальное производство в России биогаза из таких отходов — до 74 млрд. куб.м. в год. [2.96].
А каковы тенденции мирового рынка? Аналитики GBI прогнозируют, что к 2020 году эти мощности возрастут до 2 762 ГВт., что увеличит долю "чистой" энергии в мире до 36%. Согласно исследованиям в структуре альтернативной энергетики в мире энергия биомассы составляет до 13%.
По прогнозам ученых, доля возобновляемых источников энергии к 2040 г. достигнет 47,7%, а вклад биомассы -23,8%. Планы по началу производства биотоплива на государственном уровне приняты более чем в 38 странах мира. Мировыми центрами производства биотоплива в настоящее время являются США, Бразилия и Европейский Союз. Это три самых больших рынка в мире, сконцентрировавшие 85% мирового производства биологического топлива.
Самая большая доля приходится на Соединенные Штаты Америки - 48% биотоплива в мире. Самый распространённый вид биотоплива - биоэтанол, его доля составляет 82% всего производимого в мире топлива из биологического сырья. Ведущими его производителями являются США и Бразилия. На 2-м месте находится биодизель.
В Европейском Союзе сосредоточено 49% производства биодизеля. Объем мирового производства биотоплива с 2000 года увеличился в семь раз – с 16 млрд. литров в 2000 году, до 110 млрд. литров в 2012 году. При этом биотопливо составляет только 2,3% от общего объёма используемого жидкого (моторного) топлива. Этот показатель выше в Бразилии (20,1%), Соединенных Штатах (4,4%) и Европейском Союзе (4,2%).
По оценке Joint Research Centre доля биодизеля в мировом объеме биотоплива быстро растет, в связи с появлением новых стран-производителей в Юго-Восточной Азии и быстрого увеличения производства биодизельного топлива (по сравнению с биоэтанолом) в других странах. В ЕС сосредоточены три крупнейших государства - производителя биодизельного топлива - Германия, Франция и Италия. Также Франция и Германия являются крупнейшими потребителями биотоплива в ЕС.
Помимо Бразилии, в нескольких развивающихся странах существуют хорошие перспективы для производства биотоплива, Наибольшим потенциалом для расширения производства биотоплива обладают страны Африки и Южной Америки и Индии.
В настоящее время биоэнергетика в Европе сталкивается с определенными проблемами, однако есть основания полагать, что они могут быть успешно решены.Европейская комиссия опубликовала свою долгосрочную стратегию, поставив перед собой к 2030 году увеличение доли возобновляемых источников энергии до 27%.
Этот план является продолжением Программы 20-20-20, которая предусматривала увеличение доли возобновляемых источников энергии до 20% . Тогда прогноз проводился для электричества, производимого из биомассы, то есть из древесины и других органических материалов, таких, как зерновые культуры и сельскохозяйственные отходы.
Вместе с тем, в данном направлении в ЕС существуют проблемы. Основных проблем две: доступность и эффективность.
Доступность: создание биоэнергии по конкурентоспособным ценам.
Поставщики технологий биоэнергетики столкнулись с подобной конкуренцией в своем сегменте также, как и с конкуренцией с другими секторами возобновляемой энергетики. Биоэнергия следует за береговым ветром по конкурентоспособным ценам, однако затраты на энергию из других возобновляемых источников, по прогнозам, будут падать быстрее.
Однако существует возможность сократить стоимость биоэнергии почти вдвое к 2025 году. Это потребует значительных усилий, но не новых технологий. Стандартизация оборудования и конструкций для производства биоэнергии также может подтолкнуть цены вниз. И наконец, затраты могут быть снижены путем применения бережливого производства, чтобы исключить ненужные затраты в цепи поставок. Подобные меры могут сократить стоимость биоэнергии до конкурентоспособной по сравнению с углем [2.97].
Эффективность: развитие системы поставок биомассы. Сырье для биотоплива существует в изобилии, однако его потенциал полностью не реализован. Поэтому использование биомассы значительно ниже годовых объемов его производства.
В данном направлении в ЕС введён жёсткий порядок. Государства - члены ЕС должны каждые полгода предоставлять в Еврокомиссию отчеты о воздействии производства биотоплива на биоразнообразие, качество водных и почвенных ресурсов, уровень сокращения парниковых газов, а также о динамике цен на энергоносители и изменении площадей земель, задействованных под производство древесной биомассы [2.98 ].
При этом национальные и региональные стандарты значительно различаются между собой по структуре, используемым понятиям, критериям устойчивости, методике мониторинга, требованиям по отчетности и т. д. Например, в Германии ещё в 2007 году были разработаны Нормы устойчивости для биомассы (Biomass Sustainability Regulation BSR), которые были упразднены с введением в действие общеевропейской Директивы RED.
Бельгийское правительство в 2006 году включило критерии устойчивости в региональную программу поддержки производства электричества из возобновляемых источников. В Великобритании с 2008 года в рамках Обязательства по топливу из возобновляемых источников в транспортном секторе (UK RTFO, Renewable Transport Fuel Obligation).
Агентство топливу из возобновляемых источников (Renewable Fuels Agency, RFA) ввело для поставщиков топлива требование о предоставлении отчетности по отдельным видам и источникам биотоплива на соответствие производства энергетической биомассы действующим требованиям экологической и социальной устойчивости.
В Нидерландах был проведен анализ устойчивости для всех форм производства и потребления биомассы. В 2007 году Правительственная комиссия по защите окружающей среды опубликовала перечень принципов устойчивости для использования биомассы для биоэнергетики (для твердых, жидких и газообразных видов топлива). Эти критерии частично охвачены действующей Директивой RED.
В США действует аналогичная с ЕС система государственного регулирования и контроля в сфере устойчивого развития биоэнергетики. Стандарт по возобновляемым видам топлива (US Renewable Fuel Standard, RFS) определяет объемы для различных видов биотоплива, которые должны примешиваться к традиционным видам топлива. Эта программа, рассчитанная до 2022 года, была закреплена Актом об энергетической политике 2005 года и расширена Актом энергетической независимости.
К 2022 году общий объем используемого биотоплива должен увеличиться до 36 млрд. галлонов (136 млрд. л). В их числе 15 млрд. галлонов в виде обычных биотоплив и 21 млрд. галлонов - современных биотоплив (1 млрд. галлонов биодизеля на основе биомассы, 4 млрд галлонов нецеллюлозных современных топлив, таких, как биоэтанол из бразильского сахарного тростника, а также 16 млрд. галлонов целлюлозных видов биотоплива). В США производители топлива обязаны регулярно отчитываться о ключевых показателях по каждому источнику сырья, использованного в производстве.
Агентство по охране окружающей среды США (EPA) предложило сократить объемы этанола в составе бензина. Доля возобновляемого топлива (этанола, производимого из кукурузного крахмала) в 2018 году может составить 19,24 млрд. галлонов (около 73 трлн. литров) - на 40 млн. галлонов меньше (на 151 млн. литров), чем в нынешнем году. Производство целлюлозного биотоплива (изготавливается из целлюлозы, гемицеллюлоз и лигнина) сократится с 311 млн. галлонов (1,18 млрд. литров) до 238 млн. галлонов (902 млн литров). Объем улучшенного биотоплива (этанола, производимого из целлюлозы, лигнина, растительных, пищевых, бытовых отходов и отходов животного происхождения - всего, кроме кукурузы) уменьшится с 4,28 млрд. галлонов (16,22 трлн. литров) до 4,24 млрд. галлонов (16,06 трлн. литров) [2.99].
Кукуруза, соевые бобы и сорго являются единственными культурами, которые оказались экономически выгодными для промышленного производства биотоплива в США (большое количество этанола из сахарного тростника производится в тропических странах, таких как Бразилия). Но экологические издержки, связанные с выращиванием кукурузы в промышленном масштабе - необходимость плодородной земли, обильное орошение, обработка почвы и тракторное топливо - перевешивают экологические выгоды от сжигания такого биотоплива.
Теоретически любой растительный материал может быть превращен в биотопливо, включая такие отходы, как опилки и кукурузные стебли (сейчас этанол производится в основном из ядер кукурузы).
Из перспективных продуктов переработки может быть отнесена конопля. Конопляное волокно имеет долгую историю использования, а семена не только питательны, но и содержат чрезвычайно высокое количество масла. Конопля, по сути сорняк, она процветает на бедной земле и требует минимальных затрат для выращивания. Однако она производит почти в четыре раза больше масла на 0,5 га, чем соевые бобы.
Самая большая проблема с использованием конопли для производства биотоплива состоит в том, что её мало выращивают. Здесь вступает в силу медицинские и общественные показатели [2.100].
К перспективным продуктам переработки можно отнести и просо. Просо прутьевидное содержит в 5 раз больше энергии, чем требуется для его выращивания и доработки в этанол. Дело в технологии переработки. Такая технология существует, но пока не является экономически выгодной. Тем не менее несколько миллионов галлонов целлюлозного биотоплива теперь производятся ежегодно в США. Освоение новых технологий - это всего лишь вопрос времени.
Перспективны и Морские водоросли. Водоросли вырабатывают до 200 раз больше масла на 0,5 га, чем соя. Эти быстрорастущие водные организмы можно выращивать в соленой воде, муниципальных сточных водоемах или в мелководных водоемах в пустыне, где никакие другие культуры не могут выжить. США потратили сотни миллионов долларов на расширение производства топлива из водорослей. Десять лет назад было обещано, что топливо из водорослей будет дешевым и им смогут заправиться даже на бензоколонках.
Но прихоти этих водорослей на самом деле сделало его производство крайне дорогостоящим. В настоящее время Exxon Mobil сообщила о технологическом прорыве, который должен сделать водоросли экономически выгодными. Этот прорыв связан с генетически модифицированным штаммом растений
И в заключение несколько диаграмм, иллюстрирующих общее положение в мире, относящееся к использованию биомассы и получению из нее электроэнергии [2.101].
На рис.2. 79 -2.81 процентные соотношения использования био - элементов и получения электроэнергии по состоянию на 2016г.
Примечание:Solid biomass - твёрдая биомасса Municipal solid waste (MSW) includes the renewable portion only .-Только муниципальные твёрдые отходы(ТБО).
Рис.2.79. Распределение биомассы и электроэнергии в мире.
Рис.2.80. Производство биотоплива по ведущим странам мира и видам топлива.
Рис. 2.81.Количество биогазовых установок 5 ведущих стран.