Эколого-экономические характеристики биоконверсии солнечной энергии

Биомасса, как источник энергии, используется с древнейших времен.

В процессе фотосинтеза солнечная энергия запасается в виде химической энергии в зеленой массе растений. Запасенная в биомассе энергия может быть использована в виде пищи человеком или животными, или для получения энергии в быту и производстве. В настоящее время до 15% энергии в мире производится из биомассы.

Самый древний, и еще широко применяемый, способ получения энергии из биомассы заключается в ее сжигании. В сельской местности до 85% энергии получают этим способом. Как топливо, биомасса имеет ряд преимуществ перед ископаемым топливом. Прежде всего – это возобновляемый источник энергии. При сжигании биомассы выделяется в 10-20 раз меньше серы и в 3-5 раз меньше золы, чем при сжигании угля. Количество углекислого газа, выделившегося при сжигании биомассы, равно количеству углекислого газа, затраченного в процессе фотосинтеза.

Энергию биомассы можно получать из специальных сельскохозяйственных культур. Например, в субтропическом поясе России предлагается выращивать карликовые породы быстрорастущего вида папайи. С одного гектара за 6 месяцев на опытных участках получают более 5 тонн биомассы по сухому весу, которую можно использовать для получения биогаза. К перспективным видам относятся быстрорастущие деревья, растения, богатые углеводами, которые применяются для получения жидкого биотоплива – этилового спирта (например, сахарный тростник). В США разработан способ производства спирта из кукурузы, в Италии ведутся работы над разработкой способа рентабельного производства спирта из сорго. Использование спирта в качестве моторного топлива уже используют в Стокгольме, где несколько сотен автобусов переоборудованы для работы на спирте [1].

Поскольку биотопливо имеет сравнительно низкую плотность, его выгоднее использовать на месте получения. Стоимость биотоплива существенно ниже стоимости горючих ископаемых. Тем не менее, применение биотоплива не всегда оправдано с экономической точки зрения. Для автономных источников электроэнергии целесообразнее использовать биотопливо в теплофикационном цикле (когенерации) с генерацией электроэнергии и получением тепловой энергии, или в цикле тригенерации. Мощность установок по утилизации биомассы обычно не превышает 6-10 МВт, из которых на долю электричества приходится около 1-2 МВт. Для таких мощностей применение традиционного паротурбинного цикла Ренкина нецелесообразно [2].

В последние несколько лет на мировом рынке биотоплива активно ведутся разговоры о преимуществах торрефицированной биомассы в форме пеллет или брикетов. Так называемых пеллет второго поколения. Торрефикация представляет собой «мягкий» пиролиз, который позволяет придать биомассе потребительские характеристики, максимально приближенные к характеристикам каменного угля, при сохранении большей части энергии, содержавшейся в исходной биомассе, а также параметров экологической чистоты и возобновляемости.

Брикетирование биомассы происходит при термохимической обработке. Требуемая температура для этого процесса составляет от двухсот до трёхсот градусов по Цельсию. В процессе реакции кислород, влага и летучие вещества удаляются из биомассы. Лишние летучие вещества могут содержать полимеры, которые выделяют множество вредных веществ. Результатом этого процесса является сухая темная и твердая биомасса, известная как биологически чистый уголь. Биоуголь, как правило, производятся в виде гранул или брикетов и сжигают для отопления в домах и используют как топливо для промышленности. От такого вида угля меньше дыма, чем от других горючих веществ [3].

Широко распространенный способ получения энергии из биомассы заключается в получении биогаза путем анаэробного сбраживания. Такой газ содержит около 70% метана. Биометаногенез был открыт еще в 1776 году Вольтой, который обнаружил содержание метана в болотном газе.

Биогаз позволяет использовать газовые турбины, являющиеся самыми современными средствами теплоэнергетики. Для производства биогаза используются органические отходы сельского хозяйства и промышленности. Это направление является одним из перспективных и многообещающих способов решения проблемы энергообеспечения сельских районов. Например, из 300 тонн сухого вещества навоза, превращенного в биогаз, выход энергии составляет около 30 тонн нефтяного эквивалента [4].

Биомассу для последующего получения биогаза, можно выращивать в водной среде, культивируя водоросли и микроводоросли. Микроводоросли являются воспроизводимым биологическим ресурсом, удобным для моделирования и использования в технологии за счет фотосинтетического самообеспечения всеми необходимыми питательными веществами. Годовой выход биодизеля из масла микроводорослей превышает выход биодизеля из кукурузного масла в 100 раз, сои в 40 раз, подсолнечника в 20 раз, рапса в 15 раз. При этом культивирование микроводорослей занимает в 45-50 раз меньше площади по сравнению с масличными культурами. Сроки увеличения биомассы микроводорослей по сравнению со сроками вегетации сельскохозяйственных растений гораздо меньше (10 дней вместо 60 дней) [5].

Создание производства биотоплива на основе маловостребованных, неэффективно используемых видов сельскохозяйственной продукции является актуальным.