Каким образом образуется биомасса?

Энергетический потенциал может быть оценен по количеству земли в стране/регионе, которую можно использовать для энергетических плантаций и урожайности растительных культур в условиях местного климата и качества почвы. Во многих странах имеется информация об урожайности разных растений. Использование излишков фермерских земель и непригодных деградирующих земель является приоритетным.

Важной характеристикой при оценке потенциала является отношение вход/выход (I/O). Например, если жом (багасса) сорго (2/3 энергии) и сахар (1/3 энергии) используются для получения энергии, отношение (I/O) составляет 1:5. Это означает, что может быть получено в 5 раз больше энергии при использовании растения в качестве топлива, чем затрачено на посевные работы, удобрения и пестициды, сбор урожая, транспортировку и подготовку топлива. Обычно это отношение больше, чем 1:5 для деревьев и меньше для растений, используемых для получения жидких видов топлива.

Барьеры

Быстрорастущие растения требуют большего количества удобрений по сравнению с традиционными растительными культурами. Использование деградированных земель также предполагает предварительную регенерацию с помощью удобрений. Для древесных видов это условие не является жестким, поскольку деревья обладают корневой системой, сохраняющей активность в течение года. Кроме того, древесная зола может использоваться в качестве эффективного удобрения на энергетических плантациях, уменьшая проблему попадания удобрений в грунтовые воды.

Воздействие на экономику, окружающую среду и занятость населения

Затраты на производство одной (сухой) тонны сорго составляют 50 Евро, а на производство одной (сухой) тонны ивы Salix составляют 70 Евро (Дания, Hvidsed).

Затраты на производство электроэнергии из биомассы (сорго)
Тип установки
Малые, 1992 год : 0,16 Евро/кВт·ч
Большие, 2000 год : 0,08 Евро/кВт·ч
Малые улучшенные, 2000 год : 0,07 Евро/кВт·ч
Большие улучшенные, 2000 год : 0,05 Евро/кВт·ч

Экология

Важной особенностью ивы является то, что она может быть использована для очистки воды. Возможно комплексное использование энергетической ивы в системах очистки воды. Другими преимуществами энергетических плантаций являются: контроль лесных пожаров, уменьшение эрозии почвы, поглощение пыли, а также замещение использования ископаемого топлива, приводящее к уменьшению эмиссии серы и оксидов азота.

Половину затрат на выращивание сорго составляет оплата трудовых ресурсов. Дополнительное производство 500 тонн сухой биомассы в год создает одно рабочее место. Другие дополнительные рабочие места могут быть созданы в смежных областях - компостирование, производство бумаги, сервисные организации.

Некоторые правила:

Самый большой потенциал биогаза в Европе представляют навозные стоки в сельском хозяйстве. Другими источниками сырья являются:

Необходимы предосторожности для того, чтобы при переработке не использовались отходы, содержащие тяжелые металлы или вредные химические вещества, если твердый остаток предполагается использовать в качестве удобрений. Однако такие отходы могут перерабатываться в биогазовых установках, если в дальнейшем сухой остаток считается видом отходов и сжигается.

Другим источником биогаза могут быть полигоны ТБО, содержащие большое количество органической материи. Биогаз может быть собран при помощи бурения скважин. Такое бурение в любом случае уменьшает неконтролируемую эмиссию метана из тела полигона.

Содержание энергии

В случае хорошей организации процесса из одного килограмма твердого сухого вещества (TВ) обычно получается около 0,3-0,45 м³ биогаза (60% метана). Типичное время сбраживания составляет 20-30 дней при температуре 32°C. Нижняя теплотворная способность газа составляет 6,6 кВт·ч/м³. Количество получаемого биогаза часто приводится на килограмм летучего твердого вещества (ЛТВ). Содержание ЛТВ в навозе, не содержащем солому, песок и другие подобные примеси, обычно составляет 80% от твердого вещества (TВ).

Биогазовые установки обладают собственным потреблением энергии для поддержания повышенной температуры в метантенке. Для БУ с удачной конструкцией собственное потребление энергии составляет 20% от получаемой энергии. В случае использования биогаза для одновременного производства электрической и тепловой энергии (когенерация), 30-40% энергии преобразуется в электрическую энергию, 40-50% - в тепловую, а оставшаяся часть потребляется на собственные нужды.
 

Оценка ресурсов

Оценку количества навоза можно осуществить, используя данные о поголовье скота. Поскольку количество навоза зависит от количества и типа получаемых кормов, необходимо использовать средние данные для каждой из стран.

В таблице приведены данные для Дании:

Для оценки годовой производительности необходимо оценить продолжительность содержания животных в помещении. Для больших птицеферм и свиноферм она зачастую равна целому году, в то время как коровы могут содержаться на привязи от нескольких месяцев в году до целого года.

Для ориентировочной оценки количества навоза телят, свиней и птицы могут быть сделаны следующие предположения:

Телята 1-6 месяцев: 25% от количества навоза молочных коров.
Другие виды телят (телята > 6 месяцев, мясной скот, матки): 60% от количества навоза молочных коров.
Поросята 5-15 кг: 28% от количества навоза свиноматки.
свиньи на выращивании > 15 кг: 52%.
птица на выращивании: 75% от взрослой птицы.

Барьеры

Наличие барьеров сдерживает крупномасштабное развитие биогазовых установок в странах CEEC:

Экономические параметры БУ определяются высокими инвестиционными затратами, умеренными затратами на эксплуатацию и техническое обслуживание, практически бесплатным сырьем и доходом, получаемым от продажи биогаза или электроэнергии и тепла. Иногда к этому можно добавить другие параметры, например, превращение отходов в полезное удобрение.

Например, в Чешской Республике стоимость биогазовой установки, способной перерабатывать навоз от 100 коров, оценивается в 70000 долларов. Эта установка будет производить 220 МВт·ч в год и энергию для собственного нагрева. В результате, необходимые инвестиции равны 0,32 долларов на кВт·ч/год. Новые датские биогазовые установки имеют сходные экономические параметры. По существующим оценкам, совместное чешско-датское предприятие могло бы уменьшить цену на 40% (до 0,2 долларов на кВт·ч/год), однако эти оценки не были подтверждены на практике.

Годовые затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание обычно равны 10-20% от общей стоимости. Они зависят от организации, уровня зарплаты, типа установки и транспортных расходов. Если расходы на эксплуатацию и техническое обслуживание равны 10% от стоимости в год и требуется, чтобы срок окупаемости установки не превышал 10 лет, цена на электроэнергию должна быть на уровне 0,04-0,06 $/кВт·ч (в соответствии с приведенным примером из Чехии при условии, что сброженный остаток не продается в качестве удобрения).

К экологическим воздействиям БУ на окружающую среду относятся:
Производство энергии, замещающей ископаемое топливо, уменьшение эмиссии СО₂.
Уменьшение запаха и улучшение гигиенических условий.
Переработка определенного вида органических отходов, который в противном случае может вызвать экологическую проблему.
Уменьшение эмиссии метана из-за неконтролируемого анаэробного разложения навоза.
Упрощение обращения с навозом, превращение части навоза в удобрение и уменьшение использования искусственных удобрений.

Занятость населения

Прямая занятость населения в Дании на биогазовых установках оценивается величиной в 560 рабочих мест на 1 ТВт·ч произведенной энергии, из которых 420 заняты эксплуатацией и обслуживанием, а 140 - на строительстве (2000 человеко-лет для создания установок, производящих 1 ГВт·ч и имеющих период эксплуатации 14 лет). Эта оценка верна для механизированных систем с признаками централизации, то есть часть навоза транспортируется к установке от соседних ферм.

Производство энергии из возобновляемых источников динамично развивается в большинстве Европейских стран. В 1995 г. в странах ЕС на долю возобновляемых источников энергии (ВИЭ) приходилось 74.3 млн т нефтяного эквивалента (т н. э.), что составляло около 6% общего потребления первичных энергоносителей (ОППЭ) (Таблица 1). Из них на долю биомассы приходилось более 60%, что эквивалентно около 3% ОППЭ. В отдельных странах вклад биомассы в ОППЭ значительно превышает среднеевропейский: в США ее доля составляет 3.2%, в Дании - 8%, в Австрии - 11%, в Швеции - 19%, в Финляндии - 21%. В соответствии с программой развития ВИЭ (White Paper), в странах ЕС биомасса будет покрывать около 74% общего вклада ВИЭ в 2010 г, что будет эквивалентно около 9% ОППЭ. Очевидно, что биомасса составляет наиболее развитый и поступательно возрастающий сектор ВИЭ в ЕС.

Использование ВИЭ в Украине составляет на сегодняшний день 5.6 млн т у.т., что эквивалентно 2.8% ОППЭ. Из всех ВИЭ доля биомассы является наибольшей после большой гидроэнергетики - около 18% (Таблица 2). В 2001 г. из биомассы, в основном древесных отходов, было произведено 29 ПДж тепловой энергии, что составляло 0.5% ОППЭ.

Биомасса (без доли, используемой другими секторами экономики) может обеспечить 5.3-8.8% общей потребности Украины в первичной энергии (с учетом различных оценок энергетического потенциала биомассы). Технологии утилизации биомассы находятся в начале своего развития в Украине и имеют хорошие перспективы коммерциализации в ближайшем будущем.

В настоящее время в стадии рассмотрения находится "Энергетическая стратегия Украины на период до 2030 г. и дальнейшую перспективу", разработанная группой украинских ученых по Указу Президента Украины. Согласно рабочему варианту Стратегии, доля биомассы в ОППЭ составит 3.4% (2.7 млн т у.т.) в 2010 г., 7.8% (6.3 млн т у.т.) в 2020 г. и 12.6% (9.2 млн т у.т.) в 2030 г. (Таблица 4).

При разработке концепции развития биоэнергетики в Украине за основу была принята концепция Дании и вероятная оценка энергетического потенциала биомассы в Украине. Обе страны имеют относительно малую территорию, покрытую лесом (около 14%) и высокоразвитый сельскохозяйственный сектор, что приводит к подобной структуре потенциала биомассы в них.