Каким образом образуется биомасса?

Совместное сжигание, например, газифицированной биомассы и угля является хорошей возможностью уменьшения атмосферной эмиссии на угольных электростанциях. В 1999 году новая установка для совместного сжигания биомассы и угля была запущена в городе Zeltweg (Австрия). Газификатор биомассы мощностью 10 МВт был установлен на существующей угольной электростанции. Газификатор потребляет 16 м³ биомассы (щепа и кора) в час. Теплотворная способность получаемого газа находится в диапазоне 2,5 - 5 МВт/м³. Проект, получивший название "Biococomb", являлся демонстрационным проектом ЕС. Он был реализован компанией "Verbund" совместно с другими компаниями из Италии, Бельгии, Германии и Австрии и частично финансировался Европейской Комиссией.

В развитых странах существует тенденция увеличения числа малых и более гибких установок для совместного производства тепла и электроэнергии, использующих биомассу в качестве топлива. Одним из новейших представителей этого типа устройств является когенерационная станция в городе Ноксвилл (Knoxville, штат Теннеси, США). Установка сочетает топку для древесины и газовую турбину. Перед турбиной горячие газы под давлением проходят через фильтр. Установка может работать на свежих опилках (40% влажности). При электрической мощности 5,8 МВт установка потребляет 10 тонн опилок в час. Тепло уносится с выхлопными газами, имеющими температуру 370°C. Электрический КПД равен 19%, а общий КПД - 75%. Выхлопные газы могут использоваться в паровой турбине, увеличивая электрическую мощность до 9,6 МВт, а электрический КПД - до 30%. Установка в Ноксвилле работает с 1999 года.

Большинство промышленных лесов в Европе имеют неиспользованный потенциал древесины для энергетического применения. Помимо этого, в большинстве лесов древесина заготавливается промышленным способом. Горные и другие непромышленные леса также при определенных условиях могут поставлять энергетическую древесину, но только после аккуратной экологической оценки. Обычным видом лесных отходов являются ветки диаметром менее 7 сантиметров. Обычно листья и корни остаются в лесу. Кроме того, их сложнее использовать для производства энергии.

Сжигание большего количества древесины не является единственным решением. Необходимо увеличивать эффективность процесса. Традиционные котлы и печи во многих случаях имеют эффективность менее 30%, в то время как для современных устройств эта величина равна около 80%. Увеличение эффективности может, по крайней мере, удвоить потребление энергии без увеличения количества сжигаемого топлива. Для больших устройств дальнейшая утилизация тепла из дымовых газов может еще увеличить эффективность. В отдельных случаях древесные котлы могут быть замещены древесными газификаторами, работающими совместно с газовыми двигателями, или паровыми котлами с турбинами для когенерационного производства электричества и тепла.

Содержание энергии

Содержание энергии в абсолютно сухой древесине равно около 5,2 кВт·ч/кг. В обычной сухой древесине (20% влажности) содержание энергии около 4,2 кВт·ч/кг (нижняя теплотворная способность). Обычно статистика измеряет древесину в кубометрах (с корой или без нее). Плотность сухой древесины варьируется от 800 кг/м³ для твердых лиственных пород (например, бук) до 600 кг/м³ для хвойных пород (сосна). Отсюда содержание энергии составляет соответственно 3400 и 2500 кВт/м³ для бука и сосны (нижняя теплотворная способность, влажность 20%). В котлах с конденсаторами дымовых газов может быть использовано до 80-90% от верхней теплотворной способности, которая приблизительно на 4 и 10% выше нижней теплотворной способности для древесины, имеющей влажность 20 и 40%.

Доступное количество древесины может быть оценено лесной статистикой как разница между ежегодным приростом (в м³, включая кору) и ежегодным потреблением деловой и неделовой древесины, не связанным с производством энергии. Количество коры оценивается величиной в 20% от остальной древесины. Часто статистика располагает данными только о коммерческом потреблении древесины. В этом случае к ним нужно добавить и некоммерческое использование. Последнее часто включает сбор древесины местными жителями для отопления. В этом случае оно может быть учтено в энергетическом потенциале. В действительности ресурсы могут быть меньше полученной оценки из-за необходимости полного или частичного удаления веток по экологическим причинам. Эти факторы могут уменьшить потенциал на 50% даже в коммерческих лесах.

Если лесная статистика неполна или информация ненадежна, можно сделать простые оценки:

Если имеется информация только для коммерческой древесины, то потенциал древесных отходов можно оценить как долю от коммерческого использования. В соответствии с Датским опытом, количество древесины для переработки в щепу (ветви менее 7 см в диаметре) составляет 25% от производства деловой древесины, включая кору, и 31% без коры.

Некоторые оценки можно сделать исходя из площади коммерческого леса. Оценки, сделанные в Германии (Западной), дают ежегодный прирост 10-15 т/га с содержанием энергии 150-225 ГДж/га (42-63 МВт·ч/га). Если 3/4 этого количества используется для производства деловой древесины,то имеющиеся отходы содержат 40-60 ГДж/га энергии (11-16 МВт·ч/га). Оценки количества лесных отходов, сделанные на Датском острове Борнхольм показывают, что количество отходов, пригодных для практического использования (менее 7 см в диаметре) составляет 1,7 т/га, что эквивалентно 18 ГДж/га (5 МВт·ч/га) при 40% влажности или 25 ГДж/га (7 МВт·ч/га) при 20% влажности. Эти оценки не учитывают такие важные факторы, как климат или вид почвы, а значит и реальную производительность леса.
 

Барьеры

В целом, барьеров в использовании древесины для отопления не существует. Однако, эффективное использование древесины требует наличия эффективных печей и базовых знаний потребителей. Использование щепы требует наличия оборудования для производства щепы, хранения, сушки и подачи в соответствующие котлы. Для успешного использования щепы в качестве источника тепла такая производственная цепочка должна быть создана на месте. Щепа более пригодна для больших котлов (около 100 кВт). Щепа часто имеет большую влажность (40-60%). В таких случаях является предпочтительным использование котлов с конденсаторами дымовых газов.

Использование дров и щепы основано на местных ресурсах, требует минимальных транспортных/импортных расходов и поэтому является дешевым по сравнению с использованием ископаемого топлива. Оценка стоимости топлива, сделанная в Дании без учета транспортных затрат и прибыли, дает для лиственных пород (760 кг/м³) 240 дат. крон на м³. Это эквивалентно 0,11 ДКр/кВт·ч (0,0203 $/кВт·ч). Около 2/3 этой цены составляет зарплата рабочих, остальное - стоимость механизмов и сырья.

Использование древесины, замещающей ископаемое топливо, уменьшает эмиссию СО₂, потому что леса в течение жизни поглощают то же количество СО₂, которое выделяет древесина в процессе горения. Энергия, затрачиваемая на подготовку топлива, не превышает нескольких процентов от получаемого тепла. При сжигании древесины выделяется гораздо меньше оксида серы (SO₂) по сравнению со сжиганием угля. Эмиссия NOx зависит от процесса сжигания, и часто из-за относительно низких температур горения количество оксидов азота меньше, чем при сжигании угля или мазута. Эмиссия частиц и несгоревших углеводородов зависит всецело от процесса горения и может быть проблемой для малых и некачественных котлов. Зола, остающаяся после сжигания, часто может использоваться в качестве удобрения. Важно, чтобы заготовки леса проводились адекватно и сопровождались соответствующими мероприятиями по восстановлению лесных запасов.

В соответствии с французским опытом, утилизация энергии лесных отходов требует 450 рабочих мест на 1 ТВт·ч полученной энергии при уровне механизации, обычном для Западной Европы.

Каждый гектар леса на хороших почвах дает 10 т/га древесины в год. Если 25% древесины является отходами и может быть использовано для производства энергии, то энергетический выход составит 11 Мвтч (при 20% влажности).

В процессе переработки на деревообрабатывающих (ДОК) и бумажных комбинатах возникают отходы древесины, которые могут использоваться для энергетических целей. На ДОК это преимущественно кора и опилки. На бумажных комбинатах (производство целлюлозы и бумаги) - это различные, в том числе содержащие соли серной кислоты растворы, а также остатки древесины и коры. Кроме коры и опилок, на ДОК имеются верхушки деревьев, сучья, щепа и другие отходы. Часть этих отходов используется для изготовления древесноволокнистых плит. Анализ, проведенный в семи странах, показал, что 30-70% отходов деревоперерабатывающей промышленности используется для неэнергетических целей.

Из отходов большого размера может быть получена щепа для использования в соответствующих котлах, в то время как опилки могут сжигаться в специальных печах или использоваться для изготовления гранул или брикетов с последующим использованием в малых котлах или печах. Зачастую отходы используются для удовлетворения собственных потребностей в тепле, паре или, в некоторых случаях, в электричестве.



Содержание энергии

Содержание энергии в древесных отходах равно около 4,2 кВт·ч/кг (нижняя теплотворная способность, 20% влажности), что соответствует 3400 и 2500 кВт·ч/м³ для бука и сосны (смотрите предыдущую главу).

Оценка потенциала древесных отходов может быть основана на статистических данных о продаже неэнергетической древесины и общего количества древесины, вывезенной из леса. Разница между этими величинами может быть использована в энергетических целях и, до некоторой степени, в деревоперерабатывающей промышленности. Для упрощенных оценок можно считать, что отходы составляют 25-35% от общего количества вывезенной из леса древесины: например, в Польше - 29%, Канаде - 29%, Финляндии - 33%, Швеции - 36%, США - 37% (по данным Biofuels). Если большая часть древесины экспортируется без предварительной обработки, эта доля может быть ниже.

С этим видом ресурсов связано наименьшее количество барьеров по сравнению со всеми другими видами возобновляемых источников энергии. Однако, для их использования необходимы инвестиции в новые котлы или, по крайней мере, в предтопки для существующих лучших образцов котлов.

Влияние на экономику, окружающую среду и занятость населения

Экономические параметры энергетического использования промышленных древесных отходов практически всегда более привлекательны, чем при использовании лесных отходов.

Экологический эффект от сжигания такой же, как от лесной древесины при условии, что химически пропитанная и покрашенная древесина не используется. С последней необходимо обращаться как с бытовыми или химическими отходами в зависимости от вида обработки.

Прямое увеличение рабочих мест из-за использования древесных отходов невелико, потому что отходы должны перерабатываться в любом случае. Косвенным образом оно создает большую занятость населения, поскольку происходит превращение бросового материала в ценный продукт (энергию).

Солома, ветви фруктовых деревьев, отходы производства вина и растительного масла представляют собой отходы, которые могут использоваться для получения энергии. Урожай соломы в большой степени зависит от погодных условий и может значительно меняться из года в год. Если на неэнергетические нужды используется большая часть соломы, то в периоды малой урожайности необходимо учитывать необходимость использования альтернативного топлива. Таким топливом может быть щепа из древесных остатков, которое пригодно для использования во многих котлах. Лесные отходы могут находиться в лесу несколько лет перед использованием. Излишки соломы могут запахиваться в почву для улучшения слоя гумуса на полях.

Верхняя теплотворная способность соломы (сухое вещество) составляет 4,9 кВт·ч/кг. Для типичной влажности 15% нижняя теплотворная способность составляет 4,1 кВт·ч/кг

Количество энергии, содержащейся в 1 м³ уплотненной тюкованной соломы, составляет 500 кВт·ч (плотность 120 кг/м³). Средний тепловой КПД для 22 соломосжигающих станций в Дании равен 80-85% без учета конденсации дымовых газов.

Оценка ресурсов

Оценка общего количества соломы может быть получена с помощью сельскохозяйственной статистики. Для определения энергетического потенциала соломы полученное значение должно быть уменьшено на величину, используемую для корма скота и подстилки. Такое потребление соломы в значительной мере зависит от условий содержания скота. В Дании средний избыток соломы оценивается в 59%, из которых 1/5 часть уже используется (в основном для производства тепла). В Восточной Богемии избыток соломы оценивается в 35%. По общим консервативным оценкам, в Европе для производства энергии может использоваться 25% соломы. Производство соломы может изменяться в пределах 30% от средней величины.

Если количество соломы не может быть определено по статистическим данным, можно использовать статистику для урожая зерновых. Существуют ориентировочные оценки отношения количества зерна и соответствующего ему количества соломы. В Чешской Республике приняты следующие отношения количества соломы и зерна:

Грубые оценки также можно сделать на основании площади земель и производительности соломы от 4 до 7 тонн/га в зависимости от типа почвы, погодных условий и типа зерновой культуры.

Ограниченность опыта и финансовых ресурсов для необходимых инвестиций зачастую является наибольшим барьером для энергетического использования соломы. Другими барьерами могут быть:

В Дании цена на солому варьируется между 0,085 ДКр/кВт·ч (1,2 евроцента) до 0,12 ДКр/кВт·ч (1,7 евроцента) для тюков, доставленных на соломосжигающую станцию. В Чешской республике цена соломы на фермах равна 0,15 евроцент/кВт·ч для несобранной соломы и 0,19 евроцент/кВт·ч для соломы в тюках.

Удельные затраты на 1 кВт·ч произведенного тепла, усредненные для 16 установок в Дании, приведены в таблице

Экологическое воздействие использования сельскохозяйственных отходов анологично использованию древесины - уменьшение эмиссии СО₂ и соединений серы по сравнению со сжиганием угля или нефти. Эмиссия пыли, NOx и летучих органических веществ зависит от конструкции топки и очистки дымовых газов. Как уже упоминалось выше, содержание хлора приводит к эмиссии HCl. Усредненные величины эмиссии для 13 датских соломосжигающих станций приведены в таблице (все станции имеют пылеуловители).

Непосредственная занятость населения для сбора соломы в условиях механизированного сельского хозяйства Дании оценивается в 350 рабочих мест на 1 ТВт·ч произведенного тепла. Оценка сделана для больших тюков весом 500 кг. Для тюков меньшего размера (10-20 кг) количество необходимых трудовых ресурсов выше.

По существующим оценкам, 20-40 миллионов гектаров земли в Западной Европе избыточны с точки зрения традиционного сельскохозяйственного производства. Аналогичная ситуация (перепроизводство и избыток земель) ожидается в Центральной Европе. Избыточные земли могут быть использованы для разнообразных целей, одной из которых является выращивание энергетических культур.

Многообещающими для энергетических целей культурами в Европе являются быстрорастущие деревья (плантации различных видов ивы и тополя), мискантус (Miscanthus) и сорго (Sweet Sorghum). Выращенные растения могут использоваться для сжигания и производства тепла и электроэнергии. Другой многообещающей возможностью является производство жидких топлив, например, из рапса.

Содержание энергии и выход

Следующая таблица дает представление об энергетической эффективности трех видов растительных культур, используемых для производства твердого топлива.

Плантации ивы		Мискантус

Другой интересной культурой является конопля, урожайность которой составляет 24 т/га при выращивании в течение 4 месяцев. Однако плантации конопли запрещены во многих странах, несмотря на то, что некоторые ее виды непригодны для производства наркотических веществ.