Каким образом образуется биомасса?

Биомасса, как производная энергии Солнца в химической форме, является одним из наиболее популярных и универсальных ресурсов на Земле. Она позволяет получать не только пищу, но и энергию, строительные материалы, бумагу, ткани, медицинские препараты и химические вещества. Биомасса используется для энергетических целей с момента открытия человеком огня. Сегодня топливо из биомассы может использоваться для различных целей - от обогрева жилищ до производства электроэнергии и топлив для автомобилей.

 

Химический состав биомассы

Химический состав биомассы может различаться в зависимости от ее вида. Обычно растения состоят из 25% лигнина и 75% углеводов или сахаридов. Углеводородная фракция состоит из множества молекул сахаридов, соединенных между собой в длинные полимерные цепи. К наиболее важным категориям углеводородов можно отнести целлюлозу. Лигниновая фракция состоит из молекул несахаридного типа. Природа использует длинные полимерные молекулы целлюлозы для образования тканей, обеспечивающих прочность растений. Лигнин представляет собой "клей", который связывает молекулы целлюлозы между собой.

 

Каким образом образуется биомасса?

Двуокись углерода из атмосферы и вода из грунта участвуют в процессе фотосинтеза с получением углеводов (сахаридов), которые и образуют "строительные блоки" биомассы. Таким образом, солнечная энергия, используемая при фотосинтезе, сохраняется в химической форме в биомассовой структуре. Если мы сжигаем биомассу эффективным образом (извлекаем химическую энергию), то кислород из атмосферы и углерод, содержащийся в растениях, вступают в реакцию с образованием двуокиси углерода и воды. Процесс является циклическим, потому что двуокись углерода может вновь участвовать в производстве новой биомассы.

В дополнение к своему эстетическому значению земной флоры биомасса представляет собой полезный и значимый ресурс для человека. В течение тысячелетий люди добывали энергию Солнца, сохраненную в виде энергии химических связей, сжигая биомассу в качестве топлива или употребляя ее в пищу, используя энергию сахаров и крахмала. В течение нескольких последних веков человечество научилось добывать ископаемую биомассу, в частности, в виде угля. Ископаемые виды топлива представляют собой результат очень медленной химической трансформации полисахаридов в химические соединения, сходные с лигниновой фракцией. В результате химический состав угля обеспечивает более концентрированный источник энергии. Все виды ископаемого топлива, которые потребляет человечество - уголь, нефть, природный газ - представляют собой древнюю биомассу. В течение миллионов лет на Земле остатки растений превращаются в топливо. Несмотря на то, что ископаемое топливо состоит из тех же компонентов - водорода и углерода - как и "свежая" биомасса, оно не может рассматриваться в качестве возобновляемого источника, потому что его образование требует весьма длительного времени.

Другое важное различие между биомассой и ископаемыми видами топлива определяется их воздействием на окружающую среду. В процессе разложения растения химические вещества попадают в атмосферу. Напротив, ископаемое топливо "заперто" глубоко под землей и не воздействует на атмосферу до тех пор, пока не будет сожжено.

Древесина, по-видимому, является наиболее известным примером биомассы. В процессе сжигания высвобождается энергия, которую дерево усвоило, поглотив солнечные лучи. Однако, древесина - только один пример биомассы. Кроме древесины могут использоваться и другие виды биомассы - сельскохозяйственные отходы (например, жом сахарного тростника, стебли кукурузы, рисовая солома и шелуха, скорлупа орехов), древесные отходы (например, опилки, порубочные остатки, щепа), бумажные отходы, отходы зеленых насаждений в городском мусоре, энергетические растения (быстрорастущие деревья, например, тополь или ива, и такие травы, как switchgrass or elephant grass ), а также метан, собранный на полигонах твердых бытовых отходов (ТБО), станциях очистки муниципальных сточных вод. Для этой цели может использоваться и навоз животноводческих и птицеферм.

Биомасса считается одним из ключевых возобновляемых энергетических ресурсов будущего. Сегодня она обеспечивает 14% потребления первичной энергии. Для трех четвертей населения человечества, живущих в развивающихся странах, биомасса является самым важным источником энергии. Увеличение населения и потребления энергии на одного жителя, а также истощение ресурсов ископаемого топлива приведут к быстрому увеличению спроса на биомассу в развивающихся странах. В среднем, в развивающихся странах биомасса обеспечивает 38% первичной энергии (а в некоторых странах 90%). Весьма вероятно, что биомасса останется важным глобальным источником энергии в развивающихся странах в течение всего 21 века.

Использование биомассы в качестве источника энергии в мире

Потребление биомассы растет быстрыми темпами и в развитых странах. В некоторых развитых странах биомасса используется весьма интенсивно. Например, Швеция и Австрия обеспечивают 15% потребности в первичных энергоносителях за счет биомассы. Швеция планирует увеличить потребление биомассы в будущем, сопроводив этот рост закрытием атомных и тепловых электростанций, использующих ископаемые виды топлива.

В США, где 4% энергии получают из биомассы (почти столько же, как от атомных электростанций), сегодня работают установки, сжигающие биомассу для получения электроэнергии общей установленной мощностью 9000 МВт. Биомасса может с легкостью обеспечить более 20% энергетических потребностей страны. Другими словами, имеющиеся земельные ресурсы и инфраструктура сельского хозяйства позволяют заменить все работающие атомные станции без изменения цен на продовольственные товары. Более того, использование биомассы для производства этанола могло бы уменьшить импорт нефти на 50%.

Распределение биомассы в мире



Биомасса - Основные Данные

Общая масса живой материи (включая влажность) - 2000 миллиардов тонн
Общая масса наземных растений - 1800 миллиардов тонн
Общая масса леса -1600 миллиардов тонн
Количество наземной биомассы на одного жителя - 400 тонн
Количество энергии, накопленной наземной биомассой - 25 000 ЭДж (1 ЭДж=10⁺¹⁸ Дж)
Годовой прирост биомассы - 400 000 миллионов тонн
Скорость накопления энергии наземной биомассой - 3000 ЭДж/год (95 TВт)
Общее потребление всех видов энергии - 400 ЭДж/год (12 TВт)
Потребление энергии биомассы - 55 ЭДж/год (1,7 TВт)



Биомасса в развивающихся странах

Несмотря на широкое применение биомассы в развивающихся странах, обычно оно неэффективно. Общая эффективность традиционного использования биомассы составляет только 5-15%. Кроме того, биомасса менее удобна для использования, чем ископаемое топливо. В некоторых случаях ее использование может быть опасно для здоровья, например, при использовании биомассы для приготовления пищи в плохо проветриваемых помещениях. При этом могут образовываться твердые частицы, CO, NОx, формальдегиды и другие органические вещества, концентрация которых может превысить уровень, рекомендуемый ВОЗ (Всемирная Организация Здравоохранения). Более того, традиционное использование биомассы (обычно сжигание древесины) часто ассоциируется с увеличивающимся дефицитом выращиваемой древесины, истощением запасов питательных веществ, проблемами уменьшения площади лесов и расширения пустынь. В начале 80-х годов почти 1.3 миллиарда жителей Земли обеспечивали свои потребности в топливе за счет уменьшения запасов древесины.

Большая часть критики использования биомассы, особенно в крупномасштабном производстве топлива, связана с опасениями, что оно отвлекает сельское хозяйство от производства пищи, особенно в развивающихся странах. Основной аргумент заключается в том, что программы выращивания энергетических растений конкурируют с выращиванием пищевых культур различными способами (сельское хозяйство, инвестиции в сельские районы, инфраструктура, вода, удобрения, обученные человеческие ресурсы и т.д.), а это может привести к нехватке продовольствия и повышению цен. Однако, это так называемое противоречие "пища против топлива" оказывается преувеличенным во многих случаях. Предмет обсуждения более сложен, чем это обычно представляется, поскольку сельскохозяйственная и экспортная политика снабжения продовольствием представляют собой факторы огромного значения. Аргументы должны анализироваться с учетом реальной ситуации в мире, отдельной стране или регионе с обеспечением и потребностью в продовольствии (увеличением излишков продуктов питания в большинстве промышленных и некоторых развивающихся странах), использованием продовольствия в качестве корма для скота, недостаточным использованием аграрного потенциала, увеличивающимся потенциалом сельскохозяйственного производства и преимуществами или недостатками производства биотоплива.

Недостаток продовольствия и увеличение цен, с которыми столкнулась Бразилия несколько лет тому назад, часто связывали с реализацией программы "ProAlcool". Однако тщательное изучение не подтверждает, что производство этанола отрицательно воздействует на рынок продовольствия, поскольку Бразилия остается одним из самых больших экспортеров сельскохозяйственной продукции, а рост производства продуктов питания обгоняет темпы роста населения. Производство зерновых в стране в 1976 году составляло 416 кг на человека, а в 1987 году - 418 кг. Из 55 млн га земельных угодий, предназначенных для выращивания пищевых культур, только 4.1 млн га (7.5%) были использованы для выращивания сахарного тростника, что составляет только 0.6% общей площади страны, пригодной для экономического использования или 0.3% территории Бразилии. При этом только 1.7 млн га были использованы для производства этанола. Таким образом, противоречие между пищевыми и энергетическими культурами не является критическим. Более того, замена выращиваемых культур на сахарный тростник привела к увеличению выращиваемой пищи, поскольку багасса (тростник после гидролизной обработки) и сухие дрожжи используются для питания животных. Недостаток продовольствия и увеличение цен в Бразилии были вызваны комбинацией политических и экономических причин - политикой увеличения экспорта, гиперинфляцией, обесцениванием денег, политикой контроля цен на продукты местного производства и т.д. В этих условиях любые возможные негативные воздействия производства этанола могут рассматриваться как часть общих проблем, но не единственной проблемой.

Важно отметить, что развивающиеся страны испытывают на себе как продовольственную, так и энергетическую проблемы. Поэтому адаптация сельскохозяйственной практики должна учитывать это обстоятельство и развивать эффективные методы использования имеющейся земли и других ресурсов для удовлетворения как пищевых, так и энергетических потребностей с использованием агролесной системы.

Фундаментальным отличием биомассы от других видов топлив является потребность в земле для ее выращивания. При этом возникает вопрос, как и кем эта земля будет использоваться. Существует два базовых подхода для определения способа использования земли. В рамках "технократического" подхода рассматриваются потребности, затем идентифицируются биологические источники, территории для выращивания и возможный экологический эффект. Такой подход игнорирует многие местные и большинство удаленных эффектов, вызываемых плантациями биомассы, а также игнорирует мнение местных фермеров, которые знают местные условия. В результате многие проекты в прошлом оказались неудачными. В рамках "комплексного" подхода задается вопрос, каким образом нужно использовать землю для обеспечения устойчивого развития, и рассматривается, какое сочетание методов и выращиваемых культур приведет к оптимальному использованию конкретного участка земли для удовлетворения потребностей в пище, топливе, корме для скота, социальном развитии и т.д. Такой подход требует полного понимания сложных вопросов землепользования.

Необходимо отметить, что продуктивность биомассы может быть увеличена, потому что во многих местах сегодня она низкая и составляет менее 5 т/га в год для древесных видов в условиях неэффективного менеджмента. Повышение эффективности является ключевым моментом как для формирования конкурентоспособных цен, так и для лучшей утилизации пригодных земель. Улучшение может включать идентификацию быстрорастущих видов, успешное размножение и использование комбинаций культур, новые знания о выращивании растений и биотехнологиях, которые могут привести к увеличению производительности растений в 5 - 10 раз по сравнению с их природным ростом.

Сегодня является возможным, в случае хорошего менеджмента, проведения исследований и выращивания отобранных видов растений на пригодных землях получить от 10 до 15 т/га в год в районах с умеренным климатом и от 15 до 25 т/га в год в тропических странах. Рекордное значение 40 т/га в год (сухой вес) достигнуто при выращивании эвкалипта в Бразилии и Эфиопии. Высокий выход биомассы может быть достигнут при выращивании трав, если существуют пригодные агроэкологические условия. Например, в Бразилии средний выход сахарного тростника вырос от 47 до 65 т/га (вес урожая) в течение последних 15 лет, в то время как в таких регионах, как Гавайи, Южная Африка и Квинсленд (Австралия) обычным урожаем считается 100 т/гa. Представляется возможным достичь трехкратного увеличения производительности для различных видов выращиваемых культур, как это было сделано для зерновых в течение последних 45 лет. Однако это потребует интенсивных аналогичных усилий и развития инфраструктуры.

При рассмотрении энергетического потенциала к биомассе относят все формы материалов растительного происхождения, которые могут быть использованы для получения энергии: древесину, травяные и зерновые культуры, отходы лесного хозяйства и животноводства и т.д. Поскольку биомасса представляет собой твердое топливо, ее можно сравнивать с углем. Теплотворная способность сухой биомассы составляет около 14 МДж/кг. Аналогичное значение для каменного угля и лигнита составляет 30 МДж/кг и 10-20 МДж/кг (см. таблицу далее). В момент образования (сбора урожая) биомасса содержит большое количество воды, от 8 до 20% в пшеничной соломе, 30 - 60% в древесине, до 75 - 90% в навозе сельскохозяйственных животных и 95% в водном гиацинте. В противоположность этому, влажность каменного угля находится в диапазоне от 2 до 12%. Поэтому плотность энергии в биомассе на этапе возникновения ниже, чем у каменного угля. С другой стороны, биомасса имеет преимущества с точки зрения химического состава. Зольность биомассы значительно ниже, чем угля. Кроме того, в золе биомассы обычно не содержатся тяжелые металлы и другие загрязнители, поэтому она может вноситься в почву в качестве удобрения.