Болятко Екология ядерной и возобновляемой енергетики 2010

вания топлива, снижение остроты проблемы избавления от отходов.

Содержание биомассы в биосфере составляет очень большую

величину,	примерно	800 млрд т, и ежегодно	возобновляется
200 млрд	т. В мире	для энергетических целей	используется до

1 млрд т у.т. растительной массы, что эквивалентно 25 % мировой добычи нефти. Потенциальные же ресурсы растительной массы для энергетического использования достигают 100 млрд т у.т. В странах экваториального пояса биомасса остается основным источником энергии. Ее доля в энергобалансе развивающихся стран составляет 35 %, в мировом потреблении энергоресурсов – 12 %, в России – 3 %.

Ежегодно в странах СНГ производство биоотходов оценивается в 500 млн т, в том числе отходы городского хозяйства и промышленности – 60 млн т, осадки сточных вод – 7 млн т, отходы животноводства – 230 млн т. Их переработка позволит получить 150 млн т у.т.

Человечество непосредственно или косвенно потребляет всего 3,9 % продукции биомассы, выращенной на земной поверхности. Насколько больше могли бы запасти биомассу леса, если бы не превращение их в пастбища и пустыни. В целом человек изымает, ассимилирует или делает непригодным почти 40 % земель, способных давать первичную продукцию, а при стремительном росте населения планеты эта величина может приблизиться к 80 %, что абсолютно неприемлемо.

Переработка биомассы. В зависимости от влажности биомасса перерабатывается термохимическими или биологическими способами. Биомасса с низкой влажностью (сельскохозяйственные и городские твердые отходы) перерабатывается термохимическими процессами: прямым сжиганием, пиролизом (термическое разложение), ожижением, гидролизом. В результате получают водяной пар, электроэнергию, топливный газ, водород, жидкое топливо, древесный уголь, глюкозу. Биомасса с высокой влажностью (сточные воды, бытовые отходы, продукты гидролиза органических остатков) перерабатывается биологическими процессами: анаэробным сбраживанием и ферментацией. В результате этих процессов получают биогаз (метан и углекислый газ), органические кислоты, спирты, ацетон.

211

Одним из самых широко применяемых методов переработки биомассы является прямое сжигание древесины и древесных отходов, соломы, торфа, городских твердых отходов и др.

Особое место занимает переработка биомассы (сельскохозяйственных и бытовых отходов) метановым брожением с получением биогаза, содержащего около 70 % метана, и органических удобрений. Биогаз – это смесь метана CH4 и углекислого газа СО2, образующаяся в процессе анаэробного сбраживания в специальных реакторах – метантенках (генераторах биогаза или автоклавах), устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана. Теплота сгорания биогаза составляет 10–17 МДж/м3 (при нормальных условиях). Энергия, получаемая при сжигании биогаза, может достигать от 60 до 90 % той, которой обладает исходный материал. Биогаз не содержит окиси углерода и поэтому неядовит, но может вызвать смерть от удушья, так как не содержит кислорода, в смеси с которым взрывоопасен. Остатки после получения биогаза из зелёных отходов имеют высокое содержание азота и могут использоваться в качестве удобрений.

Производство биогаза, осуществляется в установках самых разных масштабов:

•на малых установках по переработке сельскохозяйственных и бытовых отходов индивидуальных крестьянских фермерских хозяйств, общее количество которых превысило 6 млн шт. (это направление особенно развито в Китае и Индии);

•на больших установках по переработке городских сточных вод (более 10 тыс. установок) и комбинированных установках по сбраживанию городских и промышленных сточных вод (более 100 новейших установок);

•на мощных комбинированных установках (фабриках) по переработке отходов продукции сельского хозяйства, животноводства и фермерских хозяйств (фабрики получили большое распространение в Дании, где находится 18 из 50 фабрик Европы).

Биогаз используют для освещения, отопления, приготовления пищи, приведения в действие механизмов, транспорта, электрогенераторов.

Широкое распространение получили электростанции, на которых сжигаются твердые бытовые отходы (ТБО) городов (США, Дания), а также электростанции, работающие на биогазе свалок

212

ТБО (Италия). В районе большого кольца Парижа работают 19 заводов по термической переработке ТБО общей суммарной установленной мощностью около 4 млн т в год. Термическая переработка отходов позволяет направлять в городские сети около 130 ГВт ч электроэнергии и обеспечивать отоплением и горячей водой примерно 240 тыс. домов парижан.

ВРоссии ТБО вывозятся на полигоны, площадь которых со-

ставляет около 15 тыс. га. С 1 га полигона в течение одного года можно собрать около 1 млн м3 биогаза. Таким образом, его ежегодное производство в стране могло бы составить 15 млрд м3.

Стратегии развития биоэнергетики существенно отличаются в различных странах. Так, Австрия концентрирует свои усилия на строительстве станций централизованного теплоснабжения мощностью 0,5–10 МВт, использующих в качестве топлива отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности. В Дании, Швеции и Финляндии около 70 % полученной из биомассы тепловой энергии вырабатывается на малых теплоэнергетических централях (мини-ТЭЦ), остальная часть – на станциях централизованного теплоснабжения. В большинстве случаев мини-ТЭЦ (мощностью 10–80 МВт) используют в качестве сырья смесь биомассы и традиционных видов топлива. А в США почти все станции, работающие на промышленных и сельскохозяйственных отходах, вырабатывают электроэнергию.

ВВеликобритании строится электростанция, топливом для ко-

торой будет служить солома. Кроме того, из 1 млн т соломы можно получить 100 тыс. т этилового спирта, 140 млн м3 метана и десятки тысяч тонн удобрений. Долю дров в энергетическом балансе США

к2015 г. намечено увеличить с 1 до 15 %.

Важное достоинство процесса переработки биомассы состоит в том, что в его отходах содержится значительно меньше болезнетворных микроорганизмов, чем в исходном материале.

Другой разновидностью биотоплива (любое топливо из возобновляемого сырья) является спирт, который можно получать, например, из сахарного тростника путём ферментации (сбраживания) и перегонки.

213

8.2. Производство биомассы для нужд энергетики

Мировое сообщество всё более активно работает над переходом на возобновляемые источники энергии. Главными стимулами для этого являются неуклонный рост цен на углеводородное топливо, ограниченность его ресурсных запасов, а также рост выбросов парниковых газов на основе углерода, который связывают с глобальным потеплением.

Наиболее перспективен в этом направлении ускоренный переход на биотопливо, сырьё для которого растительного происхождения. Уже сейчас в сельском хозяйстве многих стран выделяется специальное направление – выращивание биотопливного сырья.

В настоящее время используют следующие технологии получения биоэнергии:

•сжигание сырья растительного происхождения (дрова, солома и пр.);

•переработку твёрдых городских отходов для получения био-

газа;

•использование растительных масел в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания;

•биоконверсию или разложение органических веществ растительного или животного происхождения в анаэробных условиях с образованием биогаза;

•термохимическую конверсию (пиролиз, газификация, синтез) твёрдых органических веществ (торф, дерево и др.) с получением газа, искусственного бензина.

Биоэнергетические станции по сравнению с традиционными электростанциями наиболее экологически безопасны. Они способствуют избавлению окружающей среды от загрязнения всевозможными отходами. Например, анаэробная ферментация – эффективное средство не только реализации отходов животноводства, но и обеспечения экологической чистоты, так как твёрдые органические вещества теряют запах, в процессе перегнивания разрушаются болезнетворные микроорганизмы и образуются дополнительный корм для скота и удобрения.

Энергетическая ферма – учреждение, которое практически полностью обеспечивает себя электричеством и теплом, производимом из возобновляемых источников энергии. Энергетическая

214

ферма производит энергию в качестве основного или дополнительного продукта сельскохозяйственного производства и тех видов промышленной и бытовой деятельности, в результате которых образуются органические отходы.

ВИндии созданы «биобактерии», в которых для выработки электроэнергии используются биоотходы овощей и фруктов. Разработана технология быстрого пиролиза биомассы – термического разложения органических соединений без доступа воздуха. Из одной тонны древесных опилок можно получить 700 кг жидкого топлива.

Встранах Африки и Южной Америки (с тёплым климатом, но с недостатком энергоресурсов) в качестве топлива двигателей внутреннего сгорания широко используется растительное масло. Двигатели стали экономичнее, а так как в масле нет серы, они не выбрасывают вредных веществ.

Перспективным следует признать использование определённых растений, содержащих повышенное количество углеводородов (эвкалипт, арахис, кукуруза и др.).

ВБразилии, самом крупном в мире производителе этанола, и ряде других стран в качестве топлива используется этиловый спирт

C2H5OH, получаемый из сахарного тростника и кукурузы. Объём его потребления в Бразилии уже составляет 40 %, и считается возможным удвоить выпуск биотоплива до 2015 г. В США на нескольких заводах из биомассы производят спирт.

На рис. 8.1 приведены данные по некоторым возобновляемым видам энергии, которую можно получить с одного гектара площади, а также её стоимость. С помощью ветровой и солнечной энергии вырабатывается электричество, остальные источники производят биотопливо.

Всё большее значение во многих странах приобретает биоконверсия – разложение бытовых отходов без доступа воздуха с получением биогаза и других продуктов. Например, в России отходы

животноводства составляют 20 млн т в год, из которых при переработке можно получить 35 млрд м3 метана или 50 млн т у.т. Во многих странах используются биогенераторы, вырабатывающие газ из отходов, принцип действия которых показан на рис. 8.2.

ВАвстралии сточные воды подвергаются биологической очистке с помощью специально подобранных микроорганизмов с выде-

215

лением метана и сероводорода H2S. Используются сине-зелёные водоросли для синтеза водородного топлива: этот вид водорослей способен в процессе фотосинтеза преобразовать солнечную энергию в энергию водорода.

Термохимическая конверсия органических веществ (торф, древесина и др.) является источником искусственного бензина.

Быстрый рост мирового производства энергии различными источниками, в том числе и за счёт биотоплива, показан на рис. 8.3. Мировой объём используемого биотоплива по оценкам аналитиков к 2015 г. увеличится в 2 раза.

Крупнейшим экспортёром биотоплива останется Бразилия. На европейском рынке лидирующие позиции по производству биотоплива окажутся у Германии, за ней будет идти Франция. На азиатском рынке значительно усилятся позиции Индии как производителя альтернативного вида топлива. Также станут выделяться в качестве производителей Китай, Индонезия, Малайзия, Филиппины и Таиланд. Прогнозируется наибольший спрос со стороны США и стран ЕС. 2009 г. стал успешным для производителей биотоплива. В мире было выпущено 54 млрд л различных его видов. Больше всего произведено этанола – 46 млрд л. Причём 95 % его производства пришлось на США и Бразилию. Однако в общемировом потреблении жидкого горючего биотопливо составило всего 1,5 %. Так что темп вытеснения им бензина остаётся невысоким.

В Европе уже существует норма, по которой в составе топлива должны присутствовать не менее 6,5 % биологических компонентов.

Отходы сельскохозяйственных культур можно оценить по так называемым коэффициентам доступности (табл. 8.1). Их значения можно получить, определяя общее количество отходов как произведение урожайности на коэффициент отходов. Затем доступное количество отходов определяется как произведение общего количества отходов на коэффициент доступности, показывающий долю общих отходов от собранного урожая.

Возможность использования сельскохозяйственных отходов в качестве сырья для производства энергии зависти от их сезонной доступности, которую надо учитывать при хранении этих продуктов.

216

			Таблица 8.1
Показатели при определении количества
сельскохозяйственных отходов как энергетического сырья
Сельскохозяйст-	Коэффициент	Коэффициент	Отходы к исполь-
венная культура	отходов	доступности, %	зованию, %
Сахарная свёкла	0,52	90	100
Картофель	1,40	90	100
Кукуруза	1,10	90	45
Пшеница	2,53	85	99
Посевные травы	4,44	60	97

Для нужд энергетики можно привлечь биоресурсы Мирового океана, прирост биомассы которых ежегодно составляет почти 40 млрд т у.т., т.е. около 40 % общего прироста биомассы планеты. Важными преимуществами производства морской биомассы являются отсутствие ограничений по площади и значительная урожайность водных культур. Для сравнения, максимальная урожайность растений суши составляет до 35 т/га при росте 0,5 т/га, а урожайность у водорослей может оказаться более 100 т/га с приростом 2 т/га. «Рекордсменом» является морская капуста, урожайность которой достигает 1500 т/га.

Наряду с океаном, который рассматривается как основной источник крупных морских бурых водорослей, бентических растений (обитающих на морском дне) и плавающих в стоячей воде водорослей, оценивают возможность и определяют ресурсы биомассы эстуариев, солёных и пресноводных болот.

Данные из табл. 8.2 показывают продуктивность некоторых морских растений, у которых намного выше продуктивность, чем у более сложных наземных растений.

В то же время, несмотря на то, что 50–70 % водорослей может ферментироваться в метан, потенциальные возможности образования биомассы водорослей ограничены. Например, чтобы функционировала одна крупная углегазификационная установка, необходимо отвести под водоросли площадь 500 тыс. га, что в свою очередь ведёт к большому расходу воды и питательных веществ.

217

	Таблица 8.2
Продуктивность наземных и морских растений
Тип растения	Годовая продуктивность,
	кг/м2
Наземные:	0,9–2,8
деревья
травы	1,1–6,8
Морские:	4,5
водоросли (пруды)
водоросли (лабораторные культуры)	6,8–13,5
бурые водоросли (естественные условия)	4,9

8.3.Биоэнергетические установки

Кспособам получения энергии из биомассы относится непосредственное сжигание. При полном сгорании органических веществ образуются диоксид углерода и вода, в то время как при неполном сгорании образуются зольные частицы, дым, смолистый аэрозоль, а также неприятно пахнущие и вредные газы с карбонилсодержащими соединениями и оксидом углерода. Присутствие воды в биомассе не снижает выход тепла, но уменьшает эффективность процесса, что связано с необходимостью нагрева воды и её испарения при температуре сжигания.

Основной целью повышения качества биомассы является её превращение в транспортабельное топливо, способное заменить ископаемые виды топлива. Путём сочетания нагрева и частичного сжигания биологических материалов получают твёрдые, жидкие и газообразные соединения.

Пиролиз – процесс термического разложения органических со-

единений, происходящий при температуре 800–900 °С. При такой высокой температуре жидкие продукты пиролиза газифицируются, а дальше газифицируется также и уголь с образование синтез-газа, смеси оксида углерода и водорода.

Превращение биомассы в газы при сжигании рассматривается как газификация, а сухая перегонка – как анаэробный процесс. Сжижение охватывает восстановление биомассы до масел под действием восстановительных газов, полученных также из биомассы.

218

Важной стороной применения биогазовых установок является предотвращение загрязнения воздушного и водного бассейнов, почвы и посевов благодаря утилизации и дезодорации навозных стоков крупных животноводческих ферм и комплексов, получению обеззараженных высокоэффективных органических удобрений. Получение биогаза, возможное на установках самых разных масштабов, особенно эффективно на агропромышленных комплексах, где существует возможность полного экологического цикла.

Наиболее эффективно производство биогаза из навоза. Из одной тонны его можно получить 10–12 м3 метана. Производство биогаза из органических отходов даёт возможность решать три задачи: энергетическую, агрохимическую (получение удобрений) и экологическую. Выход биогаза при метановом сбраживании сельскохозяйственных отходов может достигать величины 0,7 м3 на 1 кг сухого вещества с теплотой сгорания до 7,3 кВт · ч/м3.

При анаэробном сбраживании органические вещества разлагаются в отсутствии кислорода. Этот процесс включает в себя два этапа. На первом этапе сложные органические полимеры под действием разнообразных видов анаэробных бактерий разлагаются до более простых соединений, а на втором – метанообразующие бактерии превращают органические кислоты в метан, углекислый газ и воду. Метод анаэробного сбраживания наиболее приемлем для переработки животноводческих отходов с точки зрения гигиены и охраны окружающей среды, так как обеспечивает наибольшее обеззараживание остатка и устранение патогенных микроорганизмов.

К факторам, влияющим на процессы биохимических превращений, относится как температура, сказывающаяся на качестве биогаза, так и метаболическая активность и уровень воспроизводства метановых бактерий.

В табл. 8.3 приводятся значения эффективности для нескольких видов топлива, а на рис. 8.4 – типичные объекты брожения [1].

Необходимо отметить также, что при оценке биоресурсов учитывается энергия, которая экологически и экономически обоснована на сегодняшнее время.

Важным вопросом является рациональное использование биогаза в сельскохозяйственном производстве, поэтому требуется преду-

219

сматривать аккумулирование биогаза в определённом объёме для его постепенного расходования по мере необходимости.

КПД использования биомассы		Таблица 8.3
Технология		КПД, %
Использование дровяного парового котла		20–25
Сжигания биомассы в псевдоожиженном слое		23–27
Комбинированный цикл интегрированной
газификации с использованием биомассы		27–48

8.4. Источники биомассы

Как уже отмечалось, источниками биомассы могут быть не только продукты биологического происхождения. Рациональное использование и удаление твёрдых городских отходов в крупных городах является важной проблемой защиты окружающей среды от загрязнения. К таким отходам относятся домашние отходы, отходы лёгкой промышленности и строительный мусор. Их общее количество может достигать сотни миллионов тонн в год, и примерно 80 % этих отходов относятся к горючим материалам. Известно, что значительную роль в обеспечении экологической безопасности играет решение вопросов хранения, переработки и утилизации отходов.

При анализе отходов в первую очередь определяют их влажность, а также содержание летучих веществ, углерода и золы. В составе типичных твёрдых городских отходов содержание углерода и водорода достаточно высокое и может достигать 30 % от общей массы.

В табл. 8.4 показан типичный состав твёрдых городских отходов с теплотой сгорания – 10000 кДж/кг. Наиболее высокая теплота сгорания может изменяться в пределах от 9300 до 11 600 кДж/кг.

Важнейшей характеристикой твёрдых городских отходов с учётом их дальнейшего использования в качестве топлива является низкое содержание в них серы (как правило, десятые доли процента), что значительно ниже, чем в высококачественном топливе городских котельных.

220