9.2. Энергия биомассы. Развитие биоэнергетики и возможность переработки бытовых отходов

Биомасса - наиболее дешевая и крупномасштаб­ная форма аккумулирования возобновляемой энер­гии. Под этим термином подразумеваются любые материалы биологического происхождения, продукты жиз­недеятельности и органические отходы.

Источники биомассы могут быть разделены на несколь­ко основных групп:

• продукты естественной вегетации (древесина, древес­ные отходы, торф и т. д.);

• специально выращиваемые высокоурожайные агро­культуры и растения;

• отходы жизнедеятельности людей, включая произ­водственную деятельность;

• отходы сельскохозяйственного производства (навоз, куриный помет, солома и т. д.).

В Беларуси более 80 % территории можно использо­вать для выращивания сельскохозяйственных культур, разведения животных, птиц и получения биомассы.

Сохраняя свое значение в качестве бытового топлива, древесина и древесные отходы все шире используются для комбинированной выработки тепловой и электричес­кой энергии, что является более эффективным, чем для производства только тепловой энергии.

Для обеспечения древесным топливом домашних хо­зяйств достаточным являются довольно незначительные поставки, но промышленные потребители древесного сы­рья требуют его в больших количествах и на постоянной долгосрочной основе. Поэтому для увеличения объемов переработки древесины в энергетических целях в ряде стран Европы и Южной Америки ориентируются на со­здание особым образом заложенных посадок деревьев с укороченным оборотом рубки (энергетических планта­ций). В 1993 году промышленные лесные плантации в мире занимали площадь более 12 млн га. Это посадки быстрорастущих пород, зачастую лиственных, например ивы, тополя, ольхи с улучшенными генетическими харак­теристиками. Энергетические плантации часто засажи­вают молодой порослью с существенными добавками удоб­рений, и они, имея укороченный оборот рубки (менее 10 лет), обрабатываются скорее как сельскохозяйственные культуры, нежели как обычные лесонасаждения. На план­тациях без применения методов генетики ежегодный при­рост составляет 7-12 м³ с гектара, а при использовании генетики улучшенных семян существенно больше. Под «энергетические плантации» в Европе отводятся вырабо­танные торфяники, осушенные болота, неиспользуемые сельскохозяйственные земли.

В Беларуси доля древесного сырья в топливно-энерге­тическом балансе пока невелика - всего 1,6 %. В целом за счет резервов неиспользуемых древесины, древесных отходов и торфа, фитомассы быстрорастущих деревьев и отходов растениеводства можно существенно повысить энергетическую устойчивость народнохозяйственного ком­плекса страны. Потенциальные резервы торфа, древеси­ны и древесных отходов в период 2001-2005 годов могут составить 18 % ежегодного потребления топлива. При вовлечении в топливный баланс фитомассы и отходов растениеводства топливные резервы в этом случае соста­вят 9,5 млн т у. т. в год или 27 % от планируемого уров­ня потребления котельно-печного топлива в 2010 году.

Существуют следующие методы сжигания биомассы:

• прямое сжигание измельченной биомассы в топках котлов;

• предварительная газификация со сжиганием полу­ченного генераторного газа (биогаза) в топках котельных или теплоэлектрических блоках, в камерах двигателей внутреннего сгорания.

Из нетрадиционных источников энергии значитель­ный интерес во всем мире вызывает биогаз, т. к. его можно получать из органических сельскохозяй­ственных и бытовых отходов, а также сточных вод.

Биогаз - это смесь метана (70 %) и углекислого газа (30 %), образующаяся в процессе анаэробного сбражива­ния (в отсутствии кислорода) в специальных реакторах - метантэнках, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана. Энер­гия, получаемая при сжигании биогаза, может достигать от 60 до 90 % той, которой обладает исходный материал. Промышленное получение биогаза из органических от­ходов имеет ряд существенных преимуществ: фактичес­ки происходит санитарная обработка сточных вод (осо­бенно животноводческих и коммунально-бытовых), унич­тожаются патогенная микрофлора и семена сорняков. Кроме того, анаэробная переработка отходов животновод­ства и растениеводства приводит к минерализации отхо­дов азотом и фосфором - основных слагаемых удобрений, что обеспечивает их сохранение, тогда как при традицион­ных способах приготовления удобрений методами компос­тирования безвозвратно теряется до 30-40 % N₂ и Р.

Получение биогаза экономически оправдано и являет­ся предпочтительным при переработке постоянного по­тока отходов (стоки животноводческих ферм, скотобоен, растительных отходов и т. д.). Экономичность заключа­ется в том, что нет нужды в предварительном сборе отхо­дов, в организации и управлении их подачей; при этом известно, сколько и когда будет получено отходов. В аг­ропромышленных комплексах, где существует возмож­ность полного экологического цикла, биогаз можно ис­пользовать для освещения, отопления, вентиляции, приго­товления пищи, для приведения в действие механизмов, транспорта, электрогенераторов. Биогазовые установки легко разместить в любом районе, они не требуют строи­тельства дорогостоящих газопроводов.

Ниже рассмотрим одну из проблем влияния человека на окружающую среду - проблему городских отходов.

До эры агломерации утилизация отходов была облег­чена благодаря всасывающей способности окружающей среды: земли и воды. Крестьяне, отправляя свою продук­цию с поля сразу к столу, производили мало отходов, т. к. они обходились без переработки, транспортировки, упа­ковки, рекламы и торговой сети. Овощные очистки и тому подобные отходы использовались в виде навоза как удобре­ние почвы. Переселение людей в города привело к совер­шенно иной потребительской структуре. Продукцию стали обменивать, а значит, упаковывать для большего удобства. л£ В настоящее время жители Нью-Йорка выбрасывают в день в общей сложности около 24 тыс. т мусора. Эта смесь, состоящая в основном из разнообразного хлама, содержит металлы, стеклянные отходы, маку­латуру, пластик и пищевые отходы. В этой смеси содер­жится большое количество опасных отходов: ртуть из ба­тареек, фосфоро-карбонаты из флюорисцентных ламп и токсичные химикаты из бытовых растворителей, красок и предохранителей деревянных покрытий.

С начала 70-х до конца 80-х годов XX века в России бытовых отходов стало в 2 раза больше. Это миллионы тонн. Сегодня только Москва выбрасывает более 10 млн т в год промышленных отходов, по 1 т на каждого жителя.

Как видно из приведенных примеров, масштабы за­грязнения окружающей среды городскими отходами та­ковы, что острота проблемы нарастает с каждым днем.

Приблизительно за 500 лет до нашей эры в Афинах был издан первый из известных эдикт, запрещающий выбрасывать мусор на улицы, предписывающий мусор­щикам сбрасывать отходы не ближе, чем за милю от го­рода. С тех пор мусор складировали на различных хра­нилищах в сельской местности. В результате роста горо­дов свободные площади в их окрестностях уменьшались, а неприятные запахи, возросшее количество крыс, выз­ванное свалками, стали невыносимы. Отдельно стоящие свалки были заменены ямами хранения мусора.

В густонаселенных районах Европы способ захороне­ния отходов требует слишком больших площадей и спо­собствует загрязнению подземных вод, но предпочтен дру­гому - сжиганию. Первое систематическое использова­ние мусорных печей было опробовано в Англии в 1874 году. Сжигание сократило объем мусора на 70-90 %, в зависимости от состава, поэтому оно нашло свое применение по обе стороны Атлантики. Густонаселенные и наиболее значимые города вскоре внедрили экспери­ментальные печи. Тепло, выделяемое при сжигании му­сора, стали использовать для получения электрической энергии. Но не везде эти проекты смогли оправдать зат­раты. Многие города, которые применили печи для сжи­гания мусора, вскоре отказались от них из-за ухудшения состава воздуха. Захоронение отходов осталось в числе наи­более популярных методов решения данной проблемы.

Наиболее перспективным способом решения пробле­мы является переработка городских отходов. Получили развитие следующие основные направления в переработ­ке: органическая масса используется для получения удоб­рений, текстильная и бумажная макулатура используется для получения новой бумаги, металлолом направляется на переплавку. Основной проблемой в переработке явля­ется сортировка мусора и разработка технологических процессов переработки. Но в такой развитой стране, как Япония, эта проблема была решена еще много лет тому назад. На улицах рядом стоят несколько мусорных баков, предназначенных для стекла, пластика, пищевых отходов, бумаги, металла. Таким образом, проблема сортировки му­сора отпадает сама собой, т. к. ее решает население.

Экономическая целесообразность способа переработ­ки отходов зависит от стоимости альтернативных методов утилизации, положения на рынке вторсырья и затрат на их переработку. Долгие годы деятельность по переработке отходов затруднялась из-за того, что суще­ствовало мнение, будто любое дело должно приносить при­быль. Но забывалось то, что переработка, по сравнению с захоронением и сжиганием, наиболее эффективный спо­соб решения проблемы отходов, т. к. требует меньше пра­вительственных субсидий. Кроме того, этот способ позво­ляет экономить энергию и беречь окружающую среду. И поскольку стоимость площадей для захоронения му­сора растет из-за ужесточения норм, а печи слишком до­роги и опасны для окружающей среды, роль переработки отходов будет неуклонно расти.

Контрольные вопросы и задания

1. Поясните разницу в понятиях традиционные и нетради­ционные виды энергии.

2. Назовите виды нетрадиционных возобновляемых источ­ников энергии.

3. Какие вы знаете способы преобразования солнечной энер­гии в электрическую?

4.Перечислите основные элементы конструкции ВЭУ.

5. В чем, по-вашему, главный недостаток ветра как энерго­источника?

6. Назовите возможные способы использования энергии морей и океанов.

7. Как можно использовать геотермальную энергию Земли?

8. Что такое биомасса?

9.Относится ли биомасса к возобновляемым источникам энергии?

10. Подумайте, какие источники биомассы можно исполь­зовать в вашей местности?

11. Что такое биогаз, какие есть способы его получения и применения?

12. Какова роль переработки бытовых отходов?