Виды биотоплива
Фотосинтез зеленых растений позволяет аккумулировать энергию, получаемую от солнечных лучей, в органическом веществе, которое синтезируется из углекислого газа, воды и некоторых «биогенных» элементов почвы. Ежегодно на Земле фотосинтез образует около 120 млрд т сухого органического вещества, что энергетически эквивалентно 40 млрд т нефти (более чем в 10 раз превышает мировой уровень ее потребления). Химическая энергия, запасенная растениями, может использоваться энергетикой. В целом биомасса дает седьмую часть потребляемого в мире топлива. Энергия, получаемая из биомассы, в 4 раза превосходит суммарную энергию АЭС мира.
В странах Европейского Союза доля энергии биомассы от общего производства НВИЭ составляет 55%. Наиболее эффективно энергия биомассы используется в Португалии, Испании, Франции, Германии, Дании, Италии. Общие ресурсы биомассы в Западной Европе (в млн т сухой массы за год) составляют: древесина и древесные отходы – 150, сельскохозяйственные отходы – 250, городской мусор – 75, биомасса, выращиваемая специально на энергетических плантациях – 250 млн т.
Еще 100 лет назад дрова были основным топливом. До сих пор всельскохозяйственных районах и в развивающихся странах печи топят дровами, это основной вид топлива примерно для 2 млрд человек. 1 м3 древесины дает около 5,5 ГДж теплоты. Сжигание отходов лесозаготовок и целлюлозно-бумажной промышленности в Финляндии, Канаде составляет существенную долю топливно-энергетического баланса. К сожалению, в РФ 75% этих отходов не используется.
Россия – самая богатая лесом страна – 22% по площади и 25% по ресурсам. Общая площадь лесного фонда 11,8 млн км, общий запас древесины 82 млрд м. Леса России играют решающую роль в проблеме сохранения биосферы планеты. С 1980 по 2010 г. население Земли удвоилось, а производство пиломатериалов, бумаги и других продуктов леса утроилось. В то же время безвозвратно исчезают вырубаемые тропические леса Амазонии, Африки, Юго-Восточной Азии. Их площадь ежегодно убывает на 14 млн га. Парниковый эффект и связанное с ним глобальное потепление на планете приводит к резким колебаниям климата, катастрофическим лесным пожарам, наводнениям и т.д. Участники конференции ООН по окружающей среде в Рио-де-Жанейро в 1993 г. приняли обязательство остановить глобальное обезлесивание, однако в последующее десятилетие оно лишь возросло. Ежегодно в мире теряется 0,8% лесов. Сохраняемые леса России все больше принимают на себя роль «легких планеты», хотя в отдельных регионах европейской территории страны лес безжалостно вырубается.
Большой ущерб лесам России наносят пожары: в 2015 г. в лесных пожарах погибли более 2 млн га леса. Лесные пожары приводят к росту выбросов углекислоты в атмосферу, усугубляя глобальные экологические проблемы. При введении в России систем охраны и защиты лесов, аналогичных канадским и скандинавским, пожарные выбросы углекислотымогли бы сократиться втрое.
Грамотное лесопользование и лесозаготовки позволяют сохранять и даже увеличивать запасы древесины в стране, увеличивать объемы фотосинтеза.
В конце ХХ века объем заготовок древесины в России составлял менее 25% объема расчетной лесосеки. По режиму управления, экологическим и экономическим показателям леса России поделены на 3 группы. Самые ценные леса, имеющие значение для сохранения ряда природных ресурсов, выделены в первую группу (около 21% лесного фонда). Леса второй и третьей групп имеют главным образом коммерческое значение. Около 6% лесной площади России занимают заповедники, национальные парки, заказники.
В ряде стран быстрорастущие виды деревьев специально выращиваются как топливо на энергетических плантациях. В Японии и Италии для этой цели выбраны эвкалипты, в Канаде выведена разновидность тополя, которая наращивает биомассу вчетверо быстрее обычной породы. Выбросы углекислоты в атмосферу при сжигании древесины компенсируются активным фотосинтезом листвы. Для России эти направления менее актуальны, для нас важнее совершенствовать транспортную инфраструктуру, включая в оборот труднодоступные лесные массивы.
Важная задача лесопромышленного комплекса – использование древесных отходов, включая зеленую массу лесозаготовок, и отходов лесоперерабатывающего производства (горбыль, опилки, кора, стружка, лигнин и т.д.), применение теплогенераторов на древесных отходах и переработку отходов в жидкое и газообразное топливо.
Торф – это горючее ископаемое, образующееся в процессе естественного отмирания и неполного разложения болотных растений в условиях избыточного увлажнения и недостаточного доступа воздуха. Влажность торфа (в залежи) составляет 85-95%, зольность 2-30%, теплота сгорания сухой массы до 24 МДж/кг.
На всей планете месторождения торфа занимают более 4 млн. км2 и содержат более 3 млрд м3 этого топлива. Мировые запасы торфа ежегодно увеличиваются, их прирост превышает расход. В Финляндии, Швеции, Ирландии доля торфа в приходной части энергетического баланса составляет от 10 до 20%. Россия в добыче торфа занимает четвертое место в мире, хотя безусловно лидирует по его запасам: российские месторождения торфа занимают 1,5 млрд км2. Во всем мире добыча торфа неуклонно возрастает, в России она столь же неуклонно падает. Причина заключается в недостатке финансирования и современных технологий добычи, обработки, сжигания.
Торф как топливо применяется в основном в котельных для отопления небольших населенных пунктов, хотя на нем работали еще первые ТЭС, построенные по плану ГОЭЛРО. Для многих населенных пунктов, удаленных от центра, перевод систем теплоснабжения на торф стал бы гарантией энергетической безопасности. В частности, для Ленинградской области торф – самый распространенный и самый доступный энергоресурс.
Без риска уменьшения запасов здесь можно добывать по 2,6 млн т торфа ежегодно. В 2012 г. добыто 300 тысяч тонн. Вместе с тем торф – источник повышения плодородия почвы, торфяные удобрения, торфоперегнойные брикеты для рассады широко используются сельским хозяйством.
Метановое брожение при переработке сельскохозяйственных и бытовых отходов позволяет получать биогаз с содержанием метана около 70% и оксида углерода около 15%, а также обеззараженное органическое удобрение. 1 кг органических отходов дает примерно 1 л биогаза. Теплота сгорания биогаза составляет 22-24 МДж/кг. Длительность процесса брожения 5-7 суток. Ферментеры для получения биогаза широко применяются в Китае, Японии, США. В современном сельском хозяйстве, при растущих потребностях в топливе и удобрениях, переработка отходов агропромышленных комплексов, животноводческих ферм, скотобоен с использованием биогазовых технологий позволяет решать проблемы сушки сена, зерна, отопления ферм и жилых помещений, производства электроэнергии.
В КНР отдаленные сельские местности газифицируют с помощью установок, перерабатывающих органические отходы сельского хозяйства. Каждая такая индивидуальная установка крестьянского двора дает в год около 6500 кВт.ч. электроэнергии и 5 тонн органического удобрения.
В России ставится задача производства и внедрения оборудования по использованию биогаза. Центр «ЭкоРос» разработал автономный биогазоэнергетический модуль, в состав которого входят биореакторы, отстойник, газгольдер для хранения биогаза, водогрейный котел и система раздачи газа для питания газовых плит и отопительных установок фермы. Модуль перерабатывает в сутки до 1 тонны отходов животноводческой фермы и дает до 230 кВт.ч тепловой энергии и до 40 нм биогаза, содержащего около 60% метана и до 15% оксида углерода.
В России, особенно в южных районах, издавна используются в качестве топлива солома, камыш. После обмолота стебли и початки кукурузы, подсолнечника сжигают для сушки зерна. После уборки урожая остатки культур могут служить топливом.
Наиболее активно процесс фотосинтеза органического вещества идет в водорослях, особенно в самых мелких – фитопланктоне. Продуктивность образования органического вещества в водорослях достигает 5 кг на квадратный метр морской поверхности в год, что в 2-5 раз превышает продуктивность леса. Морские волны выбрасывают на берег водоросли, которые используются как удобрение и топливо. Отмирающий фитопланктон (сапропель) приводит к заиливанию и заболачиванию озер и водохранилищ.
Разрабатываются технологии добычи, сушки, сжигания водорослей и сапропеля, однако они не имеют пока промышленного применения в энергетике.
Системы очистных сооружений городской канализации включают баки-аэротенки. В них к воде канализации подмешиваются присадки активного ила, микроорганизмы которого используют органические вещества сточных вод для питания и размножения. Это – аэробные микроорганизмы, для их развития через воду аэротенков прокачивается воздух. Далее вода с активным илом поступает в отстойники, затем иловые осадки перекачиваются в бурты-метантенки, где происходит анаэробное метановое сбраживание органического вещества. Выделяющийся газ содержит до 55% метана и может служить топливом в котельных установках. Твердые остатки уплотняются и обезвоживаются в фильтр-прессах и размещаются на иловых площадках. Иловые осадки могут использоваться как удобрение и как топливо.
В Японии сжигают 55% иловых осадков, в США 27%. Имеется опыт сжигания иловых осадков в котельных установках на очистных сооружениях Санкт-Петербурга.
Современные города производят громадное количество твердых бытовых отходов (ТБО). К концу ХХ века мировое производство ТБО за год достигло 3 млрд т, в С.-Петербурге на полигонах-свалках за год размещается 4,5 млн м3. В состав ТБО входят горючие вещества – макулатура, пищевые отходы, древесина, их теплота сгорания равна 7-12 МДж/кг. Отходы в свалках перерабатываются микроорганизмами с выделением метана. Общее количество антропогенных выбросов метана в атмосферу с очистных сооружений, свалок, нефтепромыслов превышает 200 млн т в год, а ведь метан, как и диоксид углерода, является парниковым газом и вносит свой вклад в потепление климата планеты. В США работают несколько ТЭС на биогазе свалок. Отходы уплотняют, укладывают на них перфорированные полиэтиленовые трубы и накрывают пленкой. Газ, отбираемый трубами, содержит до 55% метана.
В ряде развитых стран практикуется раздельный сбор отходов в местах их образования. Переработка макулатуры и стекла из ТБО достигает 50%. После отделения вторичных ресурсов в мировой практике все шире применяется сжигание ТБО в специальных котельных установках. В Швеции объем сжигаемых ТБО достигает 60%, в Швейцарии – 75, в Японии – 80%. Шлак (до 300 кг на тонну ТБО) спекается, что делает его нетоксичным, и захоранивается. Газообразные продукты сгорания – углекислый газ и водяной пар. Возможно совместное сжигание ТБО с иловыми осадками систем водоотведения. Первые установки сжигания эксплуатируются в Санкт-Петербурге.
Процессы производства жидкого и газообразного топлива из низкокачественного твердого разрабатывались еще Д.И.Менделеевым. В развитых странах мира крупные ассигнования выделяются на осуществление национальных программ создания синтетического топлива.
Бурый уголь – переходная форма от торфа к каменному углю с содержанием углерода 55-78% – в начале ХХ века являлся сырьем при производстве светильного газа, который использовался для бытовых и промышленных целей. В настоящее время газы с низкой теплотой сгорания (до 6,7 МДж/нм3), содержащие СО2 и углеводороды, получают обработкой бурого угля паровоздушным дутьем. При использовании высокотемпературноговодяного пара получают горючий газ, содержащий СО2, СН4 и Н2, с теплотой сгорания до 12,5 МДж/нм3, который может использоваться в металлургии в качестве восстановителя в доменном процессе. По мнению специалистов США, газификация угля более эффективна, чем непосредственное сжигание угля в пылеугольных энергетических котлах. В начале ХХ века суммарная производительность установок газификации угля США составила около 100 млрд нм3 в год. Разрабатываются схемы газификации углей с использованием теплоты ядерных реакторов. Развиваются методы подземной газификации пластов бурого угля с обработкой водяным паром для получения на выходе газообразных углеводородов с высоким содержанием метана.
Производство синтетического жидкого топлива было освоено в Германии в первой половине ХХ века. Немецкие танки, автомобили и даже самолеты в годы второй мировой войны заправлялись этим синтетическим топливом. В 60-70-е годы разработаны методики переработки горючих сланцев – глинистых горных пород, обогащенных горючим органическим веществом (до 60-70% по массе). Месторождения горючих сланцев расположены в Ленинградской области. Вследствие большой влажности и зольности теплота сгорания сланцев невелика – 5-11 МДж/кг. В результате термической переработки сланцев получают горючий газ, содержащий до 30% водорода, 15-30% метана, около 10% оксида углерода, и сланцевое масло – смесь жидких углеводородов, близкую к продуктам перегонки нефти, а также ценные химические продукты – этилен, бензол, фенол. При изобилии нефти и природного газа в конце ХХ века технологии производства синтетического топлива из бурого угля и сланца казались нерентабельными, теперь настало время их возобновления. Переработка твердого топлива в синтетическое дает возможность резко уменьшить выбросы золы в продуктах сгорания.
Одно из растений, активно аккумулирующих солнечную энергию, – это сахарный тростник. Сбраживая тростниковый сахар до этилового спирта, получают еще один вид синтетического жидкого топлива, пригодного для двигателей внутреннего сгорания. В 80-е годы в Бразилии работали 400 тысяч автомобилей на спиртовом топливе и 5000 спиртозаправочных станций.
Добавка спирта к низкооктановому бензину в количестве 20% повышает его октановое число, в этом случае не требуются дорогие присадки, применяемые в высокооктановых бензинах.
В качестве сырья для производства синтетического топлива может использоваться кукуруза и ее отходы. Углеводы кукурузы сбраживаются в зерновой спирт. Процесс получения зернового спирта предельно прост, в течение столетий его применяли в самогонных аппаратах. Спирты, пригодные как энергетическое топливо, получают также путем гидролиза древесины.
Из рапса и некоторых других масличных культур получают масло, которое может использоваться в качестве топлива для дизельных двигателей.