Каким образом образуется биомасса?

Экономическое развитие сельскохозяйственных районов как в развитых, так и развивающихся странах является одним из преимуществ использования биомассы. Увеличение доходов фермеров и диверсификация рынка, уменьшение аграрного перепроизводства и дополнительные денежные поступления, увеличение конкурентоспособности на международном рынке, общее оживление экономики в сельских районах, уменьшение негативного воздействия на окружающую среду - все это является важными факторами использования биомассы в качестве источника энергии. Новые финансовые поступления фермеров и сельского населения улучшают материальное положение сельских общин и могут приводить к дальнейшей активизации локальной экономики. Наконец, это означает замедление темпов миграции в города, что очень важно для многих регионов в мире.

Увеличение рабочих мест (для производства, выращивания и утилизации биомассы) и промышленный рост (развитие предприятий для производства жидких топлив, другие виды промышленности, энергетика) могут быть огромными. Например, департамент сельского хозяйства США оценил, что 17 тысяч рабочих мест создается для производства каждого миллиона галлонов этанола. В свою очередь, исследовательский институт электрической энергии оценил, что производство 5 квадриллионов Бте (Британская тепловая единица) электроэнергии на площади 50 миллионов акров увеличит доходы фермеров на 12 миллиардов долларов США ежегодно (США потребляет ежегодно 90 квадриллионов Бте). Обеспечение фермеров стабильным доходом создает новый рынок и усиливает локальную экономику, создавая циркуляцию денежных средств в локальных сообществах.

Улучшение использования аграрных ресурсов часто предлагается в ЕС. Развитие альтернативного рынка сельскохозяйственных продуктов приводит к более эффективному использованию посевных площадей, которые недостаточно используются во многих странах ЕС. В 1991 году 128 миллионов га в ЕС использовалось для выращивания зерновых. Примерно 0.8 млн га были выведены из использования в рамках программы сокращения производства. Значительно большее количество земли планируется вывести из производства в будущем. Ясно, что переориентация части этих земель для непродуктовой утилизации (например, биомасса для производства энергии) помогла бы избежать нерационального использования аграрных ресурсов. Европейское сельское хозяйство основано на производстве ограниченного количества культур, в основном использующихся в качестве пищи для людей и животных, и многие из этих культур производятся с избытком. Падение цен привело к снижению и нестабильности доходов европейских фермеров. Выращивание энергетических культур может уменьшить перепроизводство. Такие культуры могут быть конкурентоспособны по отношению к выращиванию избыточных пищевых сортов растений.

Использование энергии биомассы обладает многими уникальными качествами, которые обеспечивают его экологические преимущества. Оно может способствовать смягчению проблемы изменения климата, уменьшить количество кислотных дождей, эрозию почвы, загрязнение водоемов и нагрузку на полигоны ТБО, обеспечить среду для существования диких видов животных и помочь поддерживать здоровые условия существования лесов с помощью лучшего менеджмента

Изменение климата вызывает растущую озабоченность в мире. Человеческая деятельность, особенно сжигание ископаемых видов топлива, приводит к выбросу сотен миллионов тонн так называемых парниковых газов (ПГ) в атмосферу. ПГ включают, например, такие газы, как двуокись углерода (CO₂) и метан (CH₄). Озабоченность связана с тем, что ПГ в атмосфере могут изменить климат Земли, что приведет к изменению биосферы, обеспечивающей жизнь на Земле. Технологии энергетического использования биомассы могут минимизировать этот эффект. И двуокись углерода, и метан представляют собой большую угрозу, однако CH₄ в 20 раз более эффективен с точки зрения парникового эффекта, чем CO₂ (хотя и обладает меньшим сроком жизни в атмосфере). Сбор метана, выделяющегося на полигонах ТБО, на станциях очистки сточных вод, в хранилищах навозных стоков уменьшает выбросы метана в атмосферу и позволяет использовать его энергию для производства электроэнергии или в двигателях транспортных средств в качестве топлива. Все растения, включая и специально выращиваемые на энергетических плантациях, накапливают углерод в процессе роста, уменьшая количество углерода в атмосфере. Другими словами, двуокись углерода, выделяющаяся в процессе сжигания биомассы, поглощается в процессе последующего роста растений, реализуя так называемый замкнутый углеродный цикл. В действительности, количество связанного углерода может быть большим выделяющегося при сжигании, потому что большинство растений является многолетними. В процессе заготовки они срезаются, а не выкорчевываются. Корни при этом остаются в земле, стабилизируя почву и регенерируя в процессе последующих сезонов.

Кислотные дожди вызываются преимущественно попаданием в атмосферу фосфора и оксидов азота в процессе сжигания топлива. Кислотные дожди негативно воздействуют на человека и дикую природу, в частности, озера очень чувствительны к ним. Поскольку биомасса не содержит фосфора, ее сжигание не приводит к образованию кислотных дождей. Более того, биомасса может быть легко смешана с углем, что дает возможность использовать "совместное сжигание". Под совместным сжиганием здесь понимается использование биомассы вместе с углем в традиционных угольных котлах тепловых электростанций или отопительных котельных. Это очень простой способ уменьшения эмиссии фосфора и, как следствие, уменьшения количества кислотных дождей.

Растения могут уменьшать загрязнение грунтовых вод различными способами. Энергетические плантации могут располагаться на непригодных землях, затапливаемых территориях, а также местах, разделяющих посевные площади. Во всех случаях энергетические культуры стабилизируют почву, уменьшая эрозию. Они также уменьшают потери питательных веществ, что предохраняет водные системы. Наличие растений может создавать условия для жизни водных обитателей, например, различных видов рыб. Поскольку обычно энергетические культуры являются многолетними и не сажаются каждый год, машины реже посещают поля, уменьшая уплотнение почвы и нарушение ее структуры. Другим вариантом уменьшения загрязнения воды при использовании биомассы является сбор метана при анаэробном сбраживании в лагунах с навозными стоками из ферм крупного рогатого скота и птицы. Эти огромные лагуны ответственны за загрязнение многочисленных рек. Использование анаэробного сбраживания позволяет фермерам уменьшать неприятный запах, использовать собранный метан для производства энергии и получать жидкие или полусухие удобрения, которые могут использоваться на месте или продаваться.

Наиболее распространенными источниками биомассы являются растения. Они использовались в виде древесины, торфа или соломы в течение тысячелетий. Сегодня западный мир не так как раньше смотрит на этот высокоэнергетический вид топлива. Это произошло из-за распространенного мнения, что использование угля, нефти и электричества чище, более эффективно и более соответствует высокому уровню технологии. Однако это впечатление не совсем верно. Растения могут специально выращиваться для энергетических целей или могут быть изъяты из окружающей среды. На плантациях обычно используются те виды, которые производят большое количество биомассы за короткое время. Это могут быть древесные виды (как ива или эвкалипт) или другие быстрорастущие растения (например, сахарный тростник, кукуруза или соя).

Древесина добывается на постоянной основе: в лесах в процессе вырубки. Оценить ежегодный прирост лесов на Земле достаточно сложно. По одной из приблизительных оценок он составляет 12,5x10⁹ м³/год с содержанием энергии 182 ЭДж. Это соответствует 1,3 от общего потребления угля на планете. Среднегодовая добыча древесины в период 1985-1987г.г. составила 12,5x10⁹ м³/год (эквивалент 40 ЭДж/год). Таким образом, часть прироста может быть дополнительно использована в энергетических целях в процессе ухода за лесами и, возможно, даже увеличения при этом их производительности.

В процессе прореживания лесных плантаций создается большое количество древесных отходов. Сегодня они зачастую остаются гнить на месте. Это происходит даже в странах, в которых ощущается недостаток топлива. Древесные отходы могут быть собраны, высушены и использованы в качестве топлива частными и местными промышленными потребителями, однако большой объем и влажность делают их транспортировку экономически нецелесообразной. В развивающихся странах, широко использующих древесный уголь в качестве топлива, производство угля в печах на месте образования отходов может уменьшить расходы на транспортировку. Механические рубительные машины для производства древесной щепы (30-40 мм) были созданы в Европе и Северной Америке в течение последних 15 лет. Такая щепа может быть легко высушена и использована в специализированных котлах. Использование порубочных остатков для отопления и/или производства электроэнергии представляет собой растущий бизнес во многих странах. Американские энергоснабжающие компании имеют более 9000 МВт мощностей, работающих с использованием биомассы (эквивалент 9 атомных блоков). Большинство установок построено за последние 10 лет. В Австрии общая мощность домашних котлов и котлов централизованного теплоснабжения (ЦТ), сжигающих древесные отходы, кору и щепу, достигает 1250 МВт. Мощность большинства котлов ЦТ находится в диапазоне 1-2 МВт. Имеется несколько установок большей мощности (15 МВт) и большое количество малых когенерационных установок.

Следующим источником древесных отходов является обработка деловой древесины. Сухие опилки и другие отходы, возникающие в процессе распиловки, представляют собой качественное топливо. По существующим оценкам, британская мебельная промышленность поставляет 35000 тонн таких отходов в год (третья часть от общего количества), обеспечивая 0,5 ПДж энергии для отопления и горячего водоснабжения, а также для получения пара. В Швеции, где биомасса уже сегодня обеспечивает около 15% первичной энергии, отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности дают 200 ПДж в год, в основном в качестве топлива для ТЭЦ.

Сельскохозяйственные отходы представляют собой огромный источник биомассы. Отходы растениеводства и животноводства обеспечивают значительное количество энергии, уступающее только древесине, которая является главным видом топлива из биомассы на Земле. Сельскохозяйственные отходы включают: отходы растительных культур, например, солому, некондиционную продукцию и излишки производства, а также отходы животноводства в виде навоза. В Индии в 1985 году в качестве топлива было использовано 110 млн тонн навоза и растительных остатков, что близко к объему использования древесины - 133 млн тонн. В Китае количество сельскохозяйственных отходов в 2,2 раза превышает количество древесного топлива.

Каждый год в мире образуются миллионы тонн соломы. Более половины этого количества не используется. Во многих странах она сжигается на полях или запахивается в землю. В некоторых развитых странах экологическое законодательство запрещает сжигание соломы на полях. Это привлекло внимание к соломе как к потенциальному источнику энергии.

Энергетическое использование растительных остатков вызывает вопрос о том, какое количество может быть использовано без негативного воздействия на урожай. В соответствии с опытом развитых стран, около 35% растительных остатков может быть удалено без воздействия на будущий урожай.

Промышленные отходы, содержащие биомассу, также могут быть использованы для производства энергии. Например, из отходов производства спирта можно получить горючий газ. Другие полезные виды отходов включают отходы пищевой и текстильной промышленности.

Быстрорастущие растения

Биомасса может специально выращиваться на энергетических плантациях в виде деревьев или других видов растений, например, травы (сорго, сахарный тростник). Все эти виды растений могут быть использованы в качестве топлива. Основным преимуществом при этом является короткий период выращивания - обычно от трех до восьми лет. Для некоторых видов трав урожай может собираться каждые 6-12 месяцев. В мире существует около 100 миллионов гектаров земли, используемой 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 представляет собой параметр, определяющий способность растения использовать местные ресурсы. Это наиболее важный фактор при решении вопроса о производстве 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.

Некоторые виды растений демонстрируют высокую продуктивность по сравнению с другими при выращивании в одинаковых условиях. Несмотря на то, что продуктивность различных древесных пород зависит от типа почвы и климата, некоторые породы деревьев явно выделяются на общем фоне. Например, некоторые сорта эвкалипта имеют продуктивность 65 т/га/год сухой биомассы, виды Salix and Populus показывают соответственно 30 и 43 т/га/год.



Использование топлива из биомассы в развивающихся странах

Древесина

Под древесным топливом понимают все виды топлива, полученные в лесном хозяйстве. Древесное топливо составляет 10% топлива, используемого в мире. В Азии и Латинской Америке его доля составляет 20%, в Африке - 50%. При этом древесина является главным источником энергии, особенно в бытовых целях, во многих бедных развивающихся странах. В 22 странах древесное топливо обеспечивает от 25 до 49% потребления энергии, в 17 странах - 50-74% и в 26 странах - 75-100%.

Более половины древесины, получаемой в мире, используется в качестве топлива. В некоторых странах, например, в Танзании, эта доля может быть значительно большей (97%). Несмотря на то, что древесное топливо является главным источником энергии в сельских районах и для людей с низким уровнем доходов в развивающемся мире, его количество быстро уменьшается, приводя к дефициту и экологической деградации. По существующим оценкам, треть населения Земли испытывает ежедневные трудности по обеспечению топливом для бытовых нужд.

Несколько проведенных исследований снабжения древесным топливом в развивающихся странах подтвердили, что его нехватка является реальностью сегодня и сохранится в будущем, даже при дополнительных усилиях по управлению ресурсами. Поэтому увеличение производства древесины путем внедрения эффективных технологий является необходимым условием устойчивого развития в развивающихся странах.

Увеличение использования древесного угля в Европе связано с промышленной революцией в Англии в 17 - 18 веках. В Швеции потребление древесного угля выросло в течение 19 столетия в связи с производством металла, в частности, высококачественной стали. Сегодня древесный уголь остается важным видом бытового и, в меньшей степени, промышленного топлива во многих развивающихся странах. Он преимущественно используется в городах, где простота хранения, высокая теплотворная способность (30 МДж/кг по сравнению с 15 МДж/кг для древесины), меньшее количество дымовых выбросов и устойчивость к насекомым делают его более привлекательным, чем древесное топливо. В крупных городах Танзании доля древесного угля составляет 90% общего энергопотребления.

Потенциал образования лесных и сельскохозяйственных отходов огромен - около 2 миллиардов т/год во всем мире. Сегодня этот потенциал недостаточно используется во многих регионах мира. В районах с недостатком леса, таких как Бангладеш, Китай, северных равнинах Индии и Пакистане до 90% бытовых потребностей в энергии покрывается в сельской местности за счет сельскохозяйственных отходов. По существующим оценкам около 800 миллионов обитателей Земли используют с/х отходы и навоз для приготовления пищи, хотя точные подсчеты сделать трудно. В противоположность распространенному мнению, использование навоза в качестве источника энергии не ограничено только развивающимися странами. Например, в Калифорнии коммерческие биогазовые установки генерируют около 17.5 МВт электроэнергии, используя навоз крупного рогатого скота. Большое количество биогазовых установок имеется в Европе.

Количество энергии, которое теоретически возможно получить из возобновляемых отходов, составляет 54 ЭДж в развивающихся странах и 42 ЭДж в развитых регионах. Возобновляемые отходы включают три основных компонента: лес, продукты растениеводства и навоз. В расчетах предполагается, что только 25% отходов используется полезно. Развивающиеся страны теоретически могут покрыть 15% потребностей в энергии за счет отходов, промышленные страны - 4%.

Отходы сахарного тростника (жом, листья) представляют собой важный и зачастую огромный потенциал для производства электроэнергии, который пока используется недостаточно эффективно.

В зависимости от типа газовой турбины и доли использования стеблей и листьев тростника в межсезонье, количество электроэнергии, вырабатываемой из сахарного тростника, по некоторым оценкам может в 44 раза превышать собственное ее потребление сахарным или спиртовым заводом. На каждый литр спирта газовая турбина может произвести более 11 кВт·ч электроэнергии сверх собственного потребления завода (около 820 кВт·ч/т). По другим оценкам, использование жома для конденсационных турбин дает дополнительно 20-65 кВт·ч электроэнергии на тонну тростника. Этот количество может быть удвоено с помощью использования вида barbojo в межсезонье. Себестоимость произведенной электроэнергии оценивается в 0,05 $/кВт·ч. Доходы от продажи электроэнергии, произведенной параллельно с получением сахара, сравнимы с доходами от продажи сахара, а в случае одновременного производства спирта и электроэнергии доходы от продажи электроэнергии превышают доходы от реализации спирта. В последнем случае электроэнергия может считаться основным продуктом, а спирт побочным.

Только в Индии производство электроэнергии из отходов сахарного тростника в 2030 году может достичь 550 ТВт·ч/год (общее производство электроэнергии из всех источников в стране в 1987 году было менее 220 ТВт·ч). В глобальном масштабе около 50 ГВт установленной мощности может быть обеспечено с помощью отходов. Теоретический потенциал отходов в 80 развивающихся странах, производящих сахар из сахарного тростника, достигает 2800 ТВт·ч/год, что на 70% превышает общее производство электроэнергии в этих странах в 1987 году. Изучение общего потенциала сахарной промышленности дает цифру 500 ТВт·ч/год. Предполагая, что третья часть отходов может быть использована для производства электроэнергии с помощью внедрения новых технологий, 10% современной мировой потребности в электроэнергии (10000 ТВт·ч/год) может быть обеспечена из этого источника.

Практически все виды "сырой" биомассы достаточно быстро разлагаются, поэтому немногие пригодны для долговременного хранения. Из-за относительно низкой энергетической плотности транспортировка биомассы на большие расстояния нецелесообразна. Поэтому в последние годы значительные усилия были предприняты для поисков оптимальных методов ее использования.

Методы получения энергии из биомассы основаны на следующих процессах:

Прямое сжигание биомассы.
Термохимическое преобразование для получения обогащенного топлива. Процессы этой категории включают пиролиз, газификацию и сжижение.
Биологическое преобразование. Такие естественные процессы, как анаэробное сбраживание и ферментация приводят к образованию полезного газообразного или жидкого топлива.

В некоторых из перечисленных процессов побочным продуктом является тепло. Оно обычно используется на месте образования или на небольшом удалении для теплоснабжения, в химических процессах или для производства пара и последующего получения электроэнергии. Основным продуктом процессов является твердое, жидкое или газообразное топливо: древесный уголь, заменители или добавки к бензину, газ для продажи или производства электроэнергии с использованием паровых или газовых турбин.

Технология прямого сжигания представляет собой наиболее очевидный способ извлечения энергии из биомассы. Она проста, хорошо изучена и коммерчески доступна. Существует множество типов и размеров систем прямого сжигания, в которых можно сжигать различные виды топлива: птичий помет, соломенные тюки, дрова, муниципальные отходы и автомобильные шины. Тепло, получаемое при сжигании биомассы, может использоваться для отопления и горячего водоснабжения, для производства электроэнергии и в промышленных процессах. Одной из проблем, связанных с непосредственным сжиганием, является его низкая эффективность. В случае использования открытого пламени большая часть тепла теряется.

Сжигание древесины может быть разбито на 4 фазы:
Кипение воды, содержащейся в древесине. Даже древесина, высушенная в течение нескольких лет, содержит от 15 до 20% воды в клеточной структуре.
Выделение газовой (летучей) составляющей. Очень важно, чтобы эти газы сгорали, а не "вылетали в трубу".
Выделяющиеся газы смешиваются с атмосферным воздухом и сгорают под воздействием высокой температуры.
Сгорание остатков древесины (преимущественно углерод). При хорошем сжигании энергия используется полностью. Единственным остатком является небольшое количество золы.

Для эффективного сжигания необходимы три условия:

Если количество поступающего воздуха недостаточно, сгорание происходит не полностью. При этом образуется черный дым, состоящий из несгоревшего углерода. В результате образуются отложения сажи в дымоходе, повышающие опасность возгорания. Если количество поступающего воздуха слишком велико, то температура в зоне горения снижается и газы покидают ее несгоревшими, унося тепло. Правильное количество воздуха приводит к оптимальному использованию топлива. При этом не образуются запах и дым, невелика опасность возгорания в дымоходе. Регулирование количества воздуха зависит от конструкции дымохода и тяги, которую он может обеспечить.

Прямое сжигание является простейшим и наиболее распространенным методом получения энергии, содержащейся в биомассе. Кипячение воды в кастрюле над горящими дровами представляет собой простейший процесс. К сожалению, он также является и малоэффективным, как показывают простейшие вычисления.

Один кубический метр сухой древесины содержит 10 ГДж энергии (десять миллионов кДж). Для нагревания 1 литра воды на 1 градус требуется 4,2 кДж тепловой энергии. Для того, чтобы довести до кипения литр воды, потребуется менее 400 кДж, содержащиеся в 40 кубических сантиметрах древесины - то есть небольшая деревянная палочка. На практике на открытом огне потребуется, по крайней мере, в 50 раз большее количество древесины. Эффективность преобразования не превышает 2%.

Разработка печей или котлов, способных эффективно использовать энергию топлива, требует понимания процессов сгорания твердого топлива. Первым процессом, потребляющим энергию, является испарение содержащейся в древесине воды. Для относительно сухого топлива на испарение используется лишь несколько процентов от общего количества выделяемой энергии. В самом процессе сгорания всегда имеются две стадии, потому что любое твердое топливо содержит две сгораемые составляющие. Летучие компоненты выделяются из топлива при повышении температуры в виде смеси паров и испаренных смол и масел. При сжигании этих продуктов образуются небольшие пиролизные струи.

Современные устройства для сжигания (котлы) обычно производят тепло, пар, используемый в промышленных процессах, или электроэнергию. Устройство систем прямого сжигания варьируется в зависимости от варианта использования. Выбор топлива также влияет на дизайн и эффективность систем сжигания. Системы прямого сжигания биомассы подобны аналогичным устройствам, сжигающим уголь. На практике биомасса может сжигаться совместно с углем в небольшой пропорции в существующих угольных котлах. Биомасса, сжигаемая совместно с углем, представляет собой дешевое сырье, например отходы лесного или сельского хозяйства. Это помогает уменьшить выбросы в атмосферу, обычно связанные с использованием угля. Уголь представляет собой окаменевшую в течение миллионов лет биомассу. В процессе нагрева и сжатия в глубинах земной коры уголь накапливает такие химические элементы, как фосфор и ртуть. В процессе сжигания угля для производства тепловой или электрической энергии эти элементы высвобождаются и попадают в атмосферу. В "сырой" биомассе эти элементы отсутствуют.