Лекция для слушателей факультета повышения квалификации
жүктеу/скачать 1.24 Mb.
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 3. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗ БИОМАССЫ Непосредственное сжигание твердой биомассы
- Показатели сжигания различных видов биомассы
- Мискантус 17,6 19,1 3,9
- 3.1. Производство биодизельного топлива
- 3.2. Производство биоэтанола
- 3.3. Производство BtL - топлива – метанола
- 3.4. Производство биогаза
Фотосинтез – это превращение зелеными растениями и фотосинтезирующими микроорганизмами лучистой энергии в энергию химических связей органических веществ. Фотосинтез – биотехнологический способ преобразования энергии. Он происходит с участием хлорофилла и других поглощающих лучистую энергию пигментов. Одно из важнейших уравнений фотосинтеза: 6 СО2 + 6Н2О =(свет + хлорофилл) = С6 Н12 О6 + 6 О2. На Земле ежегодно за счет фотосинтеза образуется около 1,5∙1011 тонн органического вещества, усваивается около 3∙1011 тонн углекислого газа и выделяется около 2∙1011 тонн свободного кислорода. Наиболее значимым возобновляемым энергетическим ресурсом как разновидностью фитомассы является древесина. Ее сжигание – традиционный для сельской местности способ получения тепловой энергии. Как вид топлива она имеет ряд положительных качеств. Прежде всего, древесина – “чистое” топливо (серы менее 0,02 %, азота – около 0,12 %), что обуславливает низкий уровень содержания в продуктах сгорания сернистых и азотистых соединений. Зольность древесины составляет 0,5±0,1 % сухого вещества. В коре деревьев содержится 3±2 % золы, в листьях около 6 %. Древесная зола – хорошее минеральное удобрение. Теплота сгорания древесины зависит как от ее сорта (сосна, береза, ива и др.), так и от влажности. Под возобновляемым сырьем следует понимать все продукты растительного и животного происхождения, которые используются не только в целях производства продовольствия для людей и кормов для животных, но и для создания энергии. Культуру для производства возобновляемого сырья принято называть энергосодержащей в том случае, если основной продукт ее (более 50% вновь созданной стоимости) используется для преобразования в энергию. При различном направлении использования биологической массы различают растения для производства возобновляемого сырья, используемого для технических («non-food») целей и для получения энергоносителей. Под биомассой понимают общую массу органических веществ, создаваемых и преобразовываемых в результате деятельности живых организмов. Биомассу можно подразделить на первичные продукты, к которым относят все продукты, которые возникают при прямом использовании солнечной энергии в процессе фотосинтеза, и вторичные продукты, которые образуются преобразованием или разложением органической массы животными. Под биоэнергией понимают энергию, произведенную из биомассы. По значимости и объемам производимой биоэнергии приоритетными направлениями является использование различных видов растительного сырья для сжигания и других видов переработки, для получения биодизельного топлива, этанола, метанола и биогаза. 3. ТЕХНОЛОГИЯ ПОЛУЧЕНИЯ ЭНЕРГИИ ИЗ БИОМАССЫ Непосредственное сжигание твердой биомассы известно давно. Сегодня имеется значительное количество новых вариантов получения и переработки биомассы растений в тепловую энергию или мощность. Одна из самых многообещающих технологий для широкого распространения – использование биомассы для получения высокой температуры, мощности, топлив и химикатов – газификация. Газификация преобразовывает различные биомассы в синтетический газ (syngas) – горючая смесь угарного газа и водорода (H2). Произведенный газ может использоваться, чтобы произвести электричество, или для синтеза широкого разнообразия топлив и химикатов. Высокая температура от процесса может быть использована для разнообразных практических целей. Развиваются различные технологии преобразования биомассы. Системы газификации биомассы могут превратить материал биомассы низкого качества в высокую температуру и электричество. Такие системы обычно разрабатываются, чтобы соответствовать требованиям различной обрабатывающей промышленности. Газогенератор преобразует опилки и древесные отходы в горючий газ для получения высокой температуры и электричества, возмещая 100 % использования средств. Для сжигания могут использоваться различные виды растительного сырья (табл. 1). Т а б л и ц а 1. Показатели сжигания различных видов биомассы
3.1. Производство биодизельного топлива Производство биодизельного топлива из рапсового масла является одной из целей энергетической политики ЕС. В 2006 г. производство биодизеля составило 2,2 млн. тонн, доля производства биодизеля в Германии из рапсового масла – 1,1 млн. тонн. С 1994 по 2004 гг. производство рапса для биодизеля возросло в 9 раз, в то время как количество рапса для продовольствия, смазок и других целей возросло в незначительной мере. Продажа биодизеля с 1991 по 2006 гг. возросла в 5,5 раза. Возросли промышленные мощности для производства биодизеля. Это развитие является результатом субсидирования выращивания рапса для производства биотоплива и освобождения биотоплива от налогов до 2009 г., которыми облагаются минеральные топлива. В результате этого в Германии расширились посевные площади под рапсом, доля которых в разных регионах уже намного выше допустимых, что усложняет фитосанитарную ситуацию. Предпосылками для использования биодизеля в двигателях автомашин, тракторов и сельхозмашинах является разрешение производителей двигателей использовать биодизель, иначе он не сможет гарантировать качество работы своего товара. Как правило, современная техника пригодна для использования биодизеля, и особых проблем в эксплуатации не возникает. Обеспечивается качество топлива согласно требованиям Европейского стандарта DIN EN 14214. Биодизель является сегодня в Германии самым контролируемым видом топлива. Увеличение производства биодизельного топлива в Европе находится в неразрывной связи с развитием заправочной инфраструктуры. В Германии в период с 1994 по 2004 гг. количество заправочных станций, предлагающих биодизель, увеличилось в 7,5 раз с 251 до 1900 соответственно [7], на которых реализовывалось около 50 % произведенного биодизеля. Биодизельное топливо предлагается как в чистом виде (В100), так и в качестве добавки (5 – 35%). Германия заслуженно считается лидером не только в потреблении биодизеля, но и в использовании передовых технологий при его производстве. Уже около 3 лет здесь производится биодизель второго поколения по технологии BTL (Biomass to liquid). Данная технология позволяет производить топливо, синтезируя его из газов, образующихся при сгорании биомассы. Этот метод позволяет значительно улучшить характеристики топлива, адаптировать его для конкретных условий использования в различных двигателях. В настоящее время в Германии под выращивание сырья для биодизеля занято около 1,7 из 12 миллионов гектаров сельскохозяйственных угодий. С учетом того, что Евросоюз постоянно призывает фермеров перестраиваться с производства сельхозкультур на так называемые "энергетические культуры", эта цифра, несомненно, будет расти [10,11]. Во Франции с 1992 г. установлено 100% освобождение от налогов на производство биодизеля. Для его производства используется рапсовое масло, и только один завод Diester Cognis France использует масло подсолнечника. Произведенное топливо используется в основном в смеси с углеводородным (В5) и в качестве печного топлива. По производству биодизельного топлива Италия находится в Европе на третьем месте. 70 % сырья для производства составляют семена рапса, поставляемые из Германии и Франции. Из местного сырья (в основном подсолнечник) производят не более 50 – 80 тыс. тонн биодизеля в год. Следует отметить, что еще в 2000 г. производственные мощности итальянских заводов составляли 560 тыс. тонн/год, что в 4,5 раза больше выделенных квот. Почти все топливо используется в качестве печного. При условиях действующего освобождения биодизеля от налогов на минеральное масло, биодизель станет конкурентоспособным в Германии при цене 75 долл. США за баррель нефти. С 2006 г. снимается освобождение биодизеля от налогов и они постепенно повышаются от 9 центов/л биодизеля в 2006 и 2007 гг., 15 – в 2008 г., 21 – в 2009 г., 27 – в 2010 г., 33 – в 2011 г. до 45 центов/л биодизеля в 2012 г., что соответствует налогам на обычное дизельное топливо. Этим ухудшается конкурентоспособность биодизеля не только в отношении к минеральному дизелю, но и к импортам биодизеля из Таиланда и Малайзии, производящих биодизель из пальмового масла, который достигает конкурентоспособности к минеральному маслу при цене 45 долл. США за баррель нефти. В какой мере компенсируется ухудшение рыночного положения биодизеля из озимого рапса обязательным примешиванием 5 % к минеральному дизелю в Германии, пока трудно оценивать. Это касается и дальнейшего освобождения биодизеля от налогов при применении в сельском хозяйстве, так как применение биодизеля связано с более высокими затратами (требуется на 5 % больше горючего, сокращаются интервалы между уходами и сменами смазок, капиталовложение для специальной емкости для биодизеля), и при этом экономическая эффективность в большой мере зависит от дальнейших изменений развития цен на нефть. Причем экологическое преимущество однозначно у биодизеля. Рентабельность производства биодизеля зависит и от продажи рапсового жмыха. В то время как рынок жмыха на корм насыщен, имеется возможность его реализации в качестве твердого топлива и субстрата для ферментации в биогазовых установках. Но при его использовании не дается бонус для возобновляемого сырья. В 2006 г. рапсовое масло было на 10 центов/л дешевле, чем биодизель, и на 26 центов/л дешевле, чем обычное дизельное топливо, но для его использования необходимо переоборудовать двигатели, так как по многим показателям оно существенно отличается от произведенного из нефти. Для легковых машин такое переоборудование стоит 1000 – 5000 евро, для грузовиков и тракторов – 5000 – 10000 евро. На выставке AGRITECHNICA-2007 демонстрировались тракторы с отдельными топливными баками для обычного и биодизельного топлива. Подача компонентов топлива в двигатель осуществляется в зависимости от нагрузки и теплового режима для поддержания оптимального режима работы. В других случаях необходимы изменения у двигателей:
давления;
Качество рапсового масла в Германии должно соответствовать требованиям стандарта DIN V 51605. Оно в отличие от биодизеля в Германии помимо сельского хозяйства не нашло широкого применения, о чем и говорит небольшое количество коммерческих заправочных станций около 150. В нынешних экономических условиях производство масла и использование рапсового масла в Германии выгодно в более крупных хозяйствах или кооперативах, которые могут использовать пресс более, чем 3000 ч в год. Экономическое преимущество при этом состоит и в том, что при производстве биотоплива в собственном хозяйстве создание добавленной стоимости остается в хозяйстве, а не происходит в сфере переработки и торговли. С экологической точки зрения внутрихозяйственное производство и использование рапсового масла со скармливанием жмыха ценны тем, что возникает почти замкнутый круг СО2. 3.2. Производство биоэтанола В 2005 г. в мире производилось 45 млн. тонн биоэтанола, из них в Бразилии и США – 70 %, а в ЕС – только 7 %. В последние годы созданы большие мощности для производства биоэтанола, прежде всего из пшеницы, тритикале, ржи и сахарной свеклы. По закону требуется с 2007 г. 3 % примешивание этанола к бензину. Выход биотоплива с гектара при производстве биоэтанола выше, чем при производстве биодизеля или рапсового масла: он составляет у рапсового масла и биодизеля 1500 л/га, у биоэтанола из зерна – 2500 – 2800 л/га, что соответствует эквивалентам к биодизелю и бензину 1470, 1390 и 1631 л/га соответственно. Затраты на производство биоэтанола из пшеницы составляют в Германии около 62 цента/л, а из сахарной свеклы – около 70 центов/л. В общей структуре потребления топлива возобновляемые виды занимали в 2007 г. около 6% (рис. 4). Экономическая эффективность производства биоэтанола из зерна в большой мере зависит от эффективной реализации барды. Сушка ее требует много энергии и удорожает производство. Более эффективно в экономических условиях Германии использование ее для производства биогаза. Но производство биоэтанола в Германии не может конкурировать с импортным биоэтанолом из Бразилии, произведенным из сахарного тростника. При выходе 6000 л биоэтанола/га тростника и стоимости 20 – 25 центов/л его цена на европейском рынке составляла в 2002 г. меньше 40 центов, включая транспортные расходы и импортные пошлины. 
Рис.4. Потребление первичных видов топлива в Германии в 2007 г. Производство этанола в Соединенных Штатах Америки в 2006 г. составило почти 5 миллиардов галлонов (1 галлон = 3,787 л), что приблизительно на 1 миллиард галлонов больше, чем в 2005 г. Ожидаемое производство к 2009 г. превысит 10 миллиардов галлонов. Производство этанола удвоится к середине следующего десятилетия. Дальнейшее расширение выпуска этанола, как ожидают, будет более умеренным. Однако производство этанола возрастет больше, чем до 12 миллиардов галлонов к 2015 г. (рис. 5). К 2017 г. объемы производства этанола составят около 8 % ежегодного использования бензина в Соединенных Штатах. 
Рис.5. Ожидаемое производство этанола в США из зерна кукурузы (млрд. галл.). Внес свой вклад в использование этанола закон о политике в области энергии 2005 г., в соответствии с которым применение возобновляемого топлива (с кредитами на биодизельное топливо «biodiesel») достигнет 7,5 миллиарда галлонов к 2012 г., с ростом в последующие годы. Федеральные налоговые законы также обеспечивают стимулы для биологического топлива. Согласно текущему закону налоговые скидки равны 51 центу для каждого галлона смешанного этанола с бензином. Дополнительно тариф импорта 54 цента за галлон оценен на импортированном этаноле с беспошлинным статусом на 7% американского этанола на рынок для импорта. В комбинации эти факторы сделали этанол более экономичным в производстве. Высокие цены на нефть повысили цены на бензин и подняли ценность этанола. Устранение использования канцерогенного MTBЕ (метил-трет-бутиловый эфир) в качестве окислителя также увеличило спрос на этанол как добавку для бензина. Производство этанола является все еще относительно малым, но для сектора зерна – весьма существенным. В пределах ближайших лет более чем 30 % урожая зерна кукурузы предполагается использовать для производства этанола. В большинстве случаев для производства этанола в качестве сырья в Соединенных Штатах использует зерно. Это большое и быстрое расширение американского производства этанола затрагивает фактически каждый аспект производства зерновых культур в пределах от внутреннего спроса и экспорта, до цен и распределения площади под посевы зерновых культур. Много аспектов сектора животноводства также затронуты. Как следствие этих воздействий товарного рынка доходы ферм, правительственные платежи и цены на продовольствие также изменяются. Рынок зерна существенно затронут увеличением производства этанола. Объемы производства зерна достигнут 4 миллиардов бушелей (1 бушель=35,24 л) ежегодно в 2010 – 2011 гг. Поскольку промышленность этанола поглотит большую долю урожая зерна, более высокие цены на зерно усилят конкуренцию среди производителей и иностранных покупателей зерна. Долгосрочные прогнозы Министерства сельского хозяйства США (USDA) показывают, что средние цены на зерно кукурузы могут достигнуть 3,75 $ за бушель в 2009 – 2010 гг., а в последующем ожидается их снижение до 3,30 $ за бушель в 2016 – 2017 гг., поскольку замедлится расширение производства этанола. Цены на зерно на этих уровнях являются рекордно высокими, превышая предыдущее высокое среднее число за любой 5–летний период больше чем на 50 центов за бушель. Высокие цены на зерно кукурузы затрагивают роль зерна как корма, использование которого в животноводстве США типично и составляет 50 – 60 % от общего количества. С более высокими ценами зерно, используемое для животноводства, за следующее десятилетие снизится до 40 – 50 % его применение на корм. Более высокие цены на зерно также поощряют фермеров увеличивать посевные площади. Большая часть этого увеличения происходит за счет изменения пропорции в севообороте между кукурузой и соей. Предполагаемое в 2007 г. увеличение площади под кукурузу сопровождается сокращением посевов сои, которые снижаются на больше чем 8 миллионов акров в сравнении с 2006 г. Еще большее снижение предполагается в долгосрочных прогнозах Министерства сельского хозяйства США (USDA). С сокращением производства ожидается повышение цен на сою. Как и с зерном кукурузы это уменьшает экспорт и запасы сои. Сокращенное производство и более высокие цены на сою также сопровождаются более высокими ценами для продуктов из сои и для масла сои. Другие источники земли для увеличенных объемов производства зерна кукурузы включают превращение в пахотные угодья пастбищ, сокращение паров. Предполагаемое сообщение о прогнозах USDA, выпущенное 30 марта 2007 г., показало намерение фермеров о выделении для кукурузы повышенных площадей, превышающих 90 миллионов акров (1 акр=0,405 га), что выше на более чем 12 миллионов акров в сравнении с 2006 г. В итоге увеличенное использование зерна кукурузы для производства этанола приводит к более высоким ценам, которые вызывают сокращение других требований и увеличение поставок, чтобы привести рынок зерна в равновесие. В этих новых условиях запасы зерна уменьшены, поскольку сектор пытается балансировать через ценовые сигналы, совмещая текущее использование с будущими потребностями рынка. Более низкие запасы делают сектор потенциально более изменчивым и восприимчивым к воздействиям, типа сокращения производства из-за засухи или поражения вредителями и болезнями. В США по различным оценкам производится 1,4 млрд. тонн клетчатки (целлюлозы), которая также может быть переработана в этанол. Выход этанола из 1 т целлюлозы составляет 70 галлонов, что незначительно ниже выхода из зерна кукурузы (100 галлонов). В ближайшие 20 лет планируется приложить большие усилия для развития данной технологии с получением энергии из целлюлозы. Производство биодизельного топлива из семян рапса сопровождается его выходом в количестве приблизительно 1520 л/га при урожайности семян 3,5 т/га. Также имеет перспективы производство биодизельного топлива на основе импорта из Азии и Бразилии и переработки более дешевого пальмового масла, сои или сахарного тростника со всеми экологическими преимуществами. 3.3. Производство BtL-топлива – метанола Высокая экономическая эффективность и конкурентоспособность ожидается при производстве метанола, или BtL-топлива (BtL = биомаса-liquid). Говорят и о втором поколении биотоплива. При этом производится газификация любой биомассы с производством синтетического газа, из которого по синтезу Тропша производят топливо с желаемыми параметрами. Выход топлива с гектара при этом достигает более 3200 л/га, а эквивалентов к дизелю и бензину – до 3000 л/га. Такое топливо имеет ряд преимуществ:
В настоящее время реализуются соответствующие проекты для создания опытных типов автомашин и синтеза соответствующих биотоплив концернами Chrysler/Daimler и Volkswagen, а фирма Choren Indusries строит первый завод для производства BtL-топлива (SunFuel) из соломы. 3.4. Производство биогаза По закону о преимуществе возобновляемой энергии (EEG) сельскохозяйственным предприятиям дана возможность из биогаза в собственных теплоэнерго-станциях производить электрический ток не только для внутрихозяйственных нужд, но и для продажи электроконцернам. При этом основная оплата зависит от мощности установки и составляет от 8,4 до 11,5 центов/кВтч. При использовании исключительно возобновляемого сырья для ферментации, которое соответствует требованиям закона о возобновляемом сырье (жидкий навоз и другие органические удобрения; растения и их части), они получают добавочно бонус для использования возобновляемого сырья в зависимости от мощности установки в размере от 2,5 до 6 центов/кВтч. В результате этих поощрений число биогазовых установок в сельском хозяйстве Германии возросло со 100 в 1992 г. до 4250 в 2006 г. с установленной мощностью свыше 900 МВт (рис.6). 
Рис. 6. Относительный рост объемов инвестиций в создание биогазовых установок в Германии (2008 – 2009 гг. – планируемые объемы). При этом в последние годы происходило постоянное увеличение средней установленной мощности. Если в 2000 г. средняя установленная мощность установок составляла 75 кВт, то в 2003 г. – 350 кВт. Возможное производство биогаза оценивают в Германии от 417 ПДж (пессимистический вариант) до 751 ПДж (оптимистический вариант с учетом улучшения сортов и технологий). Основными биомассами для производства биогаза являются растительные остатки и органические побочные продукты, выращиваемые культурные растения для производства биогаза (потенциал в Германии составляет около 2 млн. гектаров), животные экскременты и навоз. В настоящее время основным растительным субстратом для ферментации служит кукуруза на силос, которая составила в 2005 г. 80 % материала для ферментации. Имеется ряд проблем, которые следует решить для повышения эффективности:
При очистке биогаза возникает возможность его передачи в сеть трубоводов для природного газа. Реализация этой возможности зависит от конкурентоспособности биогаза. Растущий дефицит ископаемых видов органического топлива и постоянный рост их стоимости обостряют актуальность использования альтернативных и местных видов топлива. Поставленная задача замены 25% источников энергии местными видами топлива является чрезвычайно важной [1]. жүктеу/скачать 1.24 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|