СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМОГО СЫРЬЯ

Субботин И.А.¹, Брюханов А.Ю.²

¹ Аспирант, Государственное научное учреждение Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук

² Кандидат технических наук, заведующий Отделом инженерной экологии сельскохозяйственного производства, Государственное научное учреждение Северо-Западный научно-исследовательский институт механизации и электрификации сельского хозяйства Российской академии сельскохозяйственных наук

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМОГО СЫРЬЯ

Аннотация

Сделан обзор современных технологий получения энергии из биомассы растительного происхождения. На основе проведённого анализа определено наиболее перспективное направление развития технологий генерирования энергии из растительной биомассы и сделан прогноз влияния развития данных технологий на экологическую ситуацию.

Ключевые слова: экология, возобновляемая энергетика, растительная биомасса, утилизация навоза.

Subbotin I.A.¹ , Bryukhanov A.U.²

¹ Postgraduate student of north-west research institute of agricultural engineering and electrification of the russian academy of agricultural sciences (szniimesh);  

² PhD in technical sciences, head of the ecological department in north-west research institute of agricultural engineering and electrification of the russian academy of agricultural sciences (szniimesh)

MODERN RENEWABLE ENERGY TECHNOLOGIES

Abstract

The article studies the performance of alternative (renewable) energy sources. The authors give a review of the different kind of technologies. It is concluded about the prospects for the development of these technologies.

Keywords: ecology, renewable energy, technology, manure management.

При выборе возобновляемого энергетического сырья возникает вопрос выбора биомассы животного или растительного происхождения для получения наилучшей эффективности.

Растительная биомасса является первичным источником энергии на Земле. Она образуется при фотосинтезе из диоксида углерода и воды с выделением кислорода. При образовании 1 кг сухой биомассы (древесины) поглощается около 1.83 кг CO₂ и столько же выделяется при ее разложении (окислении, горении). В результате, содержание углекислого газа в атмосфере остается неизменным. Растительная биомасса как топливо имеет перед животной и другие приемущества. Использование биомассы для получения энергии более экологически безопасно, чем, например, угля из-за низкого содержания серы (при сжигании биомассы выделяется менее 0.2% серы и от 3 до 5% золы в сравнении с 2-3% и 10-15% соответственно для угля).

Энергия, запасенная в растительной биомассе, может конвертироваться в технически удобные виды топлива или энергии несколькими путями:

1. Получение моторного топлива из растительных углеводородов (растительного масла, высокомолекулярных жирных кислот и их эфиров, предельных и непредельных углеводородов и т.д.);
2. Термохимическое преобразование растительной биомассы при высоких температурах (прямое сжигание для производства тепла, пиролиз, газификация, сжижение);
3. Биотехнологическая конверсия растительной биомассы (анаэробное сбраживание).

 Основываясь на указанных выше методах преобразования растительной биомассы в энергию, можно создать перечень известных технологий получения энергии и легкодоступных источников энергии из растительной биомассы.     Технологии расставлены в классификации с точки зрения энергоэффективности (от лучшей к худшей сверху вниз), то есть получения дополнительной энергии с учетом энергозатрат производственного процесса:

1. технология получения биодизельного топлива на основе рапсового масла;
2. технология получения метилового эфира рапсового масла;
3. технология получения биоэтанола;
4. технология получения генераторного газа путем газификации древесины или соломы;
5. технология получения различного топлива путем пиролиза древесины или соломы;
6. технология сжигания растительных отходов и отходов лесной промышленности в специализированных котлах;
7. технология получения биогаза путем анаэробного сбраживания растительных отходов (солома, ботва, силосная масса и другие) в метантенках;
8. технология получения биометанола;
9. создание и использование энергетических плантаций;
10.  пеллетирование, гранулирование и брикетирование отходов растительной биомассы с целью улучшения теплотворных и других свойств топливного материала перед сжиганием.

Технологии пеллетирования, гранулирования, брикетирования растительной биомассы, а также создание энергетических плантаций, являются подготовительными, то есть создают или подготавливают органическое сырье к  последующему использованию.

В настоящее время в мире наибольшее распространение получили два способа получения моторного топлива: производство биодизельного топлива (БДТ) и биоэтанола.

Биодизельное топливо представляет собой сложный метиловый эфир масляных кислот с качеством дизельного топлива, производимый на основе масел растительного и животного происхождения. Технология производства биодизельного топлива несложная: в очищенное от механических примесей рапсовое масло добавляют метиловый спирт и щелочь, смесь подогревают до 50ºС, после отстоя и охлаждения смесь разделяется на 2 фракции: легкая фракция – метиловый эфир рапсового масла или биодизель, тяжелая – глицерин.

Производство биоэтанола – жидкого спиртового топлива, основано на активной ферментации сахара при помощи дрожжей. Биоэтанол используют в качестве топлива в чистом виде или смешивают с бензином. Сельскохозяйственные культуры, используемые для производства биоэтанола: сахарный тростник, сахарная свекла, кукуруза, просо (сорго), пшеница, рис и др. Для России наиболее оптимальными культурами являются пшеница и кукуруза. Например, технология производства биоэтанола из биомассы сорго состоит из двух основных этапов: производство сахарной патоки из сорго и непрерывная переработка патоки в биоэтанол. При сгорании биоэтанола в атмосферу выделяется 10 раз меньше углекислого газа, чем при сгорании бензина.

В газификаторах, использующих кислород вместо воздуха, можно получать газ, состоящий преимущественно из H₂, CO и CO₂. Представляет интерес то обстоятельство, что после удаления СО₂ можно получить так называемый синтез-газ, из которого, в свою очередь, можно синтезировать практически любое углеводородное сырье. В частности, при взаимодействии Н₂ и СО получается чистый метан. Другим возможным продуктом является метанол - жидкий углеводород с теплотворной способностью 23 ГДж/т. Производство метанола требует организации сложного химического процесса с высокими температурами и давлением, а также дорогостоящего оборудования. Несмотря на это, интерес к производству метанола объясняется тем, что он представляет собой ценный продукт - жидкое топливо, способное непосредственно заменить бензин. В настоящее время рентабельность технологий производства метанола с использованием синтез-газа является недостаточно высокой для использования в промышленных масштабах.

Технология прямого сжигания представляет собой наиболее очевидный способ извлечения энергии из растительной биомассы. Она проста, хорошо изучена и коммерчески доступна. Существует множество типов и размеров систем прямого сжигания, в которых можно сжигать различные виды топлива: соломенные тюки, дрова, древесные отходы и другое.

Наиболее часто при сжигании растительной биомассы используется древесина. В развитых странах замена угольных или мазутных котлов централизованного теплоснабжения на котлы для сжигания древесины снижает затраты потребителей тепла на 20-60%, поскольку стоимость древесины ниже стоимости угля и мазута. В то же время, древесные котлы более экологичны.

Солома имеет близкую к древесине теплотворную способность и может быть использована в качестве топлива для энергетических котлов (см. табл. 1):

Таблица 1. Теплотворная способность биотоплива.

Вид топлива	Влажность, %	Теплотворная способность, МДж/кг
Дуб	20	14.1
Сосна	20	13.8
Солома	15	14.3
Зерно	15	14.2
Антрацит	4	30-35
Бурый уголь	20	10-20
Биогаз из навоза	-	22
Природный газ	-	31.7
Древесный газ	-	5
Навоз	-	18
Биометанол	-	19.5

Однако, существует ряд трудностей препятствующих сжиганию соломы в котлах: большой удельный объём топлива, то есть объём вещества, нужный для получения единицы энергии (для соломы 1000 дм/ГДж), около 70% сгораемых компонентов соломы содержатся в летучих газах, наличие коррозийных соединений (соединения хлора), а также щелочных металлов, которые могут образовывать наросты на стенках оборудования. Возможен также вариант совместного сжигания, например, древесины и соломы в определенной пропорции, подстилочного навоза и соломы и т.д.

Изготовление пеллетов, брикетов и топливных гранул – хорошая альтернатива прямому использованию соломы и древесных отходов в виде топлива. Пеллеты, брикеты и гранулы выделяют больше тепла, чем солома, опилки и щепа в чистом виде, увеличивая коэффициент полезного действия котельных, не требуют больших складских площадей и при хранении не самовоспламеняются. Например, при сжигании 1 тонны древесных гранул выделяется столько же энергии, сколько при сжигании 1.6 т древесины, 480 м³ газа, 500 л дизельного топлива или 700 л мазута. При этом, древесные гранулы намного экологичнее традиционного топлива: в 10–50 раз ниже эмиссия углекислого газа в воздушное пространство, в 15–20 раз меньше образование золы, чем при сжигании угля.

Газификация (газогенерация) – это термо–химический процесс, в результате которого образуется горючий газ, пригодный для использования в энергетических целях. В процессе газификации древесины образуется горючий газ, представляющий собой смесь водорода, угарного газа (монооксида углерода), метана и некоторых негорючих сопутствующих компонентов. Получение газа достигается частичным сжиганием и нагревом биомассы в присутствии древесного угля при полном отсутствии или неполном доступе кислорода. Газ может использоваться вместо бензина. При этом мощность автомобильного двигателя (ДВС) снижается на 40%. Возможно, что в будущем, при должном развитии и усовершенствовании технологии получения, этот вид топлива станет основным источником энергии для электростанций.

Пиролиз представляет собой простейший способ преобразования одного вида топлива в другой с лучшими показателями. Разные виды высокоэнергетического топлива могут быть получены с помощью нагрева сухой древесины и даже соломы. Этот процесс использовался в течение столетий для получения древесного угля. Традиционный пиролиз древесины заключается в нагреве исходного материала (который часто превращается в порошок или измельчается перед помещением в реактор) в условиях почти полного отсутствия воздуха, обычно до температуры 300–500 °C до полного удаления летучей фракции. Остаток, известный под названием древесный уголь, имеет двойную энергетическую плотность по сравнению с исходным материалом и сгорает при значительно более высоких температурах. В зависимости от влажности и эффективности процесса для производства 1 тонны древесного угля требуется 4–10 тонн древесины.

Производство биогаза базируется на анаэробном сбраживании сельскохозяйственных отходов в закрытых сооружениях (метантенках). Наиболее распространено метановое сбраживание жидкого и полужидкого навоза [1]. Но растительная биомасса обладает гораздо большим энергетическим потенциалом (см. табл.2).

Таблица 2. Количество биогаза, получаемого при анаэробном сбраживании различного исходного субстрата.

Вид исходного субстрата	Показатели
	содержание сухого вещества, %	выход биогаза, м3/т
Навоз крупного рогатого скота	8	22
Свиной навоз	6	25
Птичий помет (твердый)	22	76
Измельченная солома (ячмень)	86	300
Силосная масса (трава)	40	200
Силосная масса (кукуруза)	35	208
Кукурузная зерностержневая смесь (содержание клетчатки 5%)	65	414
Солома (пшеница)	86	280
Трава (луговая)	18	95

 

Если анаэробное сбраживание навоза и помёта в условиях большей части России, в частности в Северо-Западном регионе с точки зрения получения энергии нецелесообразно, то сбраживание определённых видов растительной биомассы может стать энергоэффективным решением. Специалисты считают, что эффективным и рентабельным является метановое сбраживание субстрата, состоящего из навоза и растительной добавки (солома, ботва) [2].

В условиях широкого использования растительной биомассы для производства энергии всё большее распространение получают так называемые энергетические плантации. Биомасса может специально выращиваться на энергетических плантациях в виде деревьев или других видов растений, например, травы (сорго, рапс, сахарный тростник). Основным преимуществом энергетических культур является короткий период выращивания – обычно от трех до восьми лет. Для некоторых видов трав урожай может собираться каждые 6–12 месяцев. В мире используется около 100 миллионов гектаров земли для плантаций древесных культур.

Важными параметрами при выборе видов растений для выращивания на энергетических плантациях являются: наличие вида на местном рынке, простота разведения, устойчивость развития в неблагоприятных условиях и продуктивность, выраженная в производстве сухой биомассы на гектар в год (т/га/год). Продуктивность – это наиболее важный фактор при решении вопроса о выращивании биомассы с целью оптимизировать ее производство на определенной территории в определенный период времени с наименьшими затратами. По этой причине высокопроизводительные виды биомассы предпочтительны для производства энергии. Количество энергии, которое можно получить с энергетической плантации при урожайности 15 т сухой биомассы с гектара в год (теплотворная способность 15 МДж/кг), составляет 225 ГДж/га.

Для создания плантаций энергетических лесов в умеренной климатической зоне наиболее перспективны разновидности быстрорастущих сортов тополя (волосистоплодного и канадского) и ивы (корзиночной и козьей), а в южной части страны – акации и эвкалипта.

Табл.3.Возможные размеры получения энергии с 1 га земли (по данным Р. Вильямса из университета г. Принстон [3])

Энергетическая культура (топливо)	Получение энергии с 1 га (ГДж)
рапс	50
пшеница	70
сахарная свекла	135
сахарный тростник	105
биотанол, полученный путем газификации древесины	160
водород, полученный путем газификации древесины	205

Подводя итог, можно выделить наиболее перспективное направление генерирования энергии из биомассы – это получение моторного топлива (биодизельное топливо, биоэтанол, биометанол и др.). Это заключение основывается на следующих факторах:

• существенный рост объемов производства моторного биотоплива в мире за последние годы;
• улучшение экологической ситуации при использовании моторного биотоплива по сравнению с традиционным топливом на основе нефти;
• возможность производства моторного биотоплива в больших объемах за счет создания энергетических плантаций.

Перевод двигателей на биомоторное топливо позволит частично решить основные мировые энергетические проблемы, касающиеся моторного топлива: недостаток моторного топлива, снизить постоянный рост цен на нефть и нефтепродукты, уменьшить выбросы загрязняющих веществ, особенно парниковых газов.