Читать книгу Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз: Теория и практика - Евгений Панцхава - Страница 6

Научно-техническое промышленное направление «Получение твердого, жидкого, газообразного топлив, электрической и тепловой энергий из биомассы посредством термохимических технологий и биотехнологий» относится к общеэнергетической проблеме «Промышленная биоэнергетика».

Решение проблем Биоэнергетики определяется развитием таких направлений, как:

1. изыскание и создание крупномасштабных, высокопродуктивных источников биомассы (фотосинтез, производство древесной биомассы, промышленное разведение растений – продуцентов углеводородов, производство углеводсодержащей непищевой биомассы, производство водной биомассы, использование твердых отходов городов);

2. биотехнологическая конверсия (получение этилового и других спиртов, органических кислот, растворителей из различных видов биомассы, получение биогаза и водорода;

3. термохимическая конверсия (прямое сжигание, газификация, пиролиз, сжижение, фест-пиролиз, синтез) для получения жидкого, твердого и газообразного топлива (рис. 1).

Содержание биомассы в биосфере оценивается в 800 млрд. т [21], причем 90 % приходится на древесину, из них 70 млрд. т накапливается в континентальных лесах с общим энергосодержанием, втрое превышающим современное мировое потребление энергии.

Для сравнения – разведанные запасы угля оцениваются в 500 млрд. т, нефти – 200 млрд. т, природного газа -100 млрд. т (по углю) [2-16].

Биомасса – продукт фотосинтеза – самого мощного на планете преобразователя солнечной энергии – и последующей многообразной пищевой цепочки, основной источник топлива и энергии, включая и ископаемые органические топлива, как конечный продукт переработки древнейшей биомассы.

Биомасса – это растительный и животный мир и продукты их физиологической и технической переработки, включая многочисленные органические отходы. Биомасса или Биоресурсы – это мощный потенциальный мировой источник топлив и сырья для химии.

Биомасса, как производная энергии Солнца в химической форме, является одним из наиболее популярных и универсальных ресурсов на Земле. Она позволяет получать не только пищу, но и энергию, строительные материалы, бумагу, ткани, медицинские препараты и химические вещества. Биомасса используется для энергетических целей с момента открытия человеком огня. Сегодня топливо из биомассы может использоваться для различных целей – от обогрева жилищ до производства электроэнергии и топлив для промышленности и сельского хозяйства.

Биомасса является биологическим материалом фауны и флоры земной биосферы. И рассматривается как возобновляемый источник энергии автомобилей. [2–2,2-3]

Биомассы может использоваться непосредственно, либо косвенно при превращении в другой вид энергии, например, в различные виды биотоплив. Человечество использует биомассу с древних времен как источник энергии. В наше время этот термин может быть упомянуты в двух смыслах В первом смысле, растительная биомасса используются либо для выработки электроэнергии (с помощью паровых турбин или газогенераторы), или для производства тепла (через прямое сжигание). Древесина и древесные отходы остаются основным источником энергии биомассы сегодня.

Во втором смысле, она включает биомассу растительного и животного происхождения, которая может быть преобразована в химические и энергетические продукты, включая биотопливо. К промышленной биомассе относятся различные виды растений: мискантус, просо, конопля, кукуруза, тополь, ива, сорго, сахарный тростник, бамбук, и различные породы дерева, начиная с эвкалиптом, чтобы пальмового масла (пальмовое масло).

За последние десять лет производство этих растений увеличилась на 14 % В США, альтернативные источники электроэнергии производят около 13 % электроэнергии;. Биомасса обеспечивает приблизительно 11 % от альтернативных производств энергии.

В настоящее время энергетические потребности мира составляют ~ 11–12 млрд. т условного топлива (у. т.) и удовлетворяются за счет нефти и газа на 58–60 %, угля – на 30 %, гидро- и атомной энергии – на 10–12 % [2–4]. Разведанные запасы нефти, угля и газа приведены в табл. 1 и 2 [2–5].

В качестве источника энергии используется также растительная биомасса [2–6] (дрова и др.) – порядка 1 млрд. т у.т., или 0,7 млрд. т нефтяного эквивалента (н. э.), что составляет почти четвертую часть из добычи и потребления нефти в мире (~3 млрд. т).

Потребность в нефти и других видах современной энергии, вероятно, будет увеличиваться и одновременно будут усовершенствоваться методы энергетического использования растительной биомассы (помимо прямого сжигания.

Таблица. 2-1

Мировые запасы горючих ископаемых, пригодные для индустриальной добычи, млрд. т н. э.

Таблица. 2-2

Извлекаемые запасы горючих ископаемых и прирост биомассы. млрд. т н. э., [2–6, 2–9, 2-11]

Применение возобновляемой растительной биомассы для производства моторных топлив целесообразно и даже необходимо в связи с ограниченностью запасов нефти. По данным XIII Нефтяного конгресса (1991 г.) [2-11], разведанные запасы нефти в мире оцениваются в 140145 млрд. т (160 млрд. м³), которых при современном потреблении нефти в мире может хватить на 35–45 лет.

По отдельным регионам проблемы с запасами нефти стоят более остро: 76 % запасов находится на Ближнем и Среднем Востоке, в Латинской Америке. На остальные регионы остается 24 %, из которых 67 % приходится на СНГ. Учитывая уровень добычи нефти в 1990 г., этих запасов может хватить на 15–18 лет.

Потребность нефти в Российской Федерации – 270–300 млн. т, в целом по СНГ – 450 млн. т (для сравнения – США потребляют около 800 млн. т нефти). В дальнейшем потребление нефти в мире будет возрастать, поэтому, учитывая дефицит нефти, необходимо развивать новые пути получения жидких моторных топлив. Производство моторных топлив из твердых горючих ископаемых не слишком обширно. Так, в ЮАР получают 5 млн. т моторных топлив, для чего затрачивается 27–30 млн. т бурого угля. Эта технология основана на парокислородной газификации угля и получении моторных топлив из синтез-газа на железном катализаторе. Производство синтетических топлив в крупных масштабах с целью замены нефти представляет трудную задачу. Для производства 150 млн. т синтетических топлив (1/2 потребности России) понадобилось бы около 1 млрд. т бурого угля (добыча угля в 1990 г. в Советском Союзе составила около 700 млн. т, в США -800 млн. т).

Доступным и возобновляемым сырьем для производства синтетических моторных топлив является биомасса растений. Например, в Канаде лесная и лесоперерабатывающая промышленность более 70 % необходимой энергии получает из отходов древесины (газификацией и другими методами). В Советском Союзе в период 1940–1950 гг. были созданы установки, работавшие на лесных и сельскохозяйственных отходах при их газификации воздухом с получением газообразного моторного топлива. Ежегодный прирост биомассы растений на Земле составляет от 170 до 200 млрд. т, считая на сухое вещество, что в пересчете на нефтяной эквивалент соответствует примерно 70–80 млрд. т [2–9, 2-10].

В связи с дефицитом нефти целесообразно использовать местные виды топлив – растительную биомассу, бурый уголь, торф, сланцы, различные твердые органические отходы (мусор в городах) при переработке в жидкое топливо. Общее количество различных твердых органических отходов (лесодобыча и лесопереработка, сельское хозяйство, промышленность, бытовой мусор в городах) может быть очень велико. Например, в США оно достигает 1–1,2 млрд. т в год. Из этого количества можно получить около 1/4 моторных топлив, т. е. более 100 млн. т. Однако большая часть отходов не используется, некоторую часть применяют для получения биогаза (смесь СН₄ с СО₂), другая часть сжигается.

Например, фирма “Боинг” сжигает биомассу (отходы древесины и городской мусор) для получения примерно 60 % тепла, необходимого для обогрева завода “Боинг” площадью 550 тыс. м² являющегося крупнейшим в мире производственным комплексом [2-12].

Ресурсы ежегодно возобновляемой растительной биомассы энергетически в 25 раз превышают добычу нефти. В настоящее время сжигание растительной биомассы составляет ~10 % от потребляемых энергоресурсов (примерно 1 млрд. т у. т.), в будущем ожидается существенное расширение использования биомассы в виде продуктов ее переработки (жидких, твердых топлив и др.), и в первую очередь отходов, которые скапливаются и разлагаются, загрязняя окружающую среду [2-13].

Биомасса перерабатывается в топливные и химические продукты различными методами: пиролизом, гидролизом, газификацией, гидрогенизацией и др. Эти процессы осуществляются на передвижных или стационарных установках.