Роль перспективных технологий биоэнергетики в обеспечении экологической и энергетической безопасности

All-Russian Society for Nature Conservation, Moscow, Russia

Обсуждаются технологические возможности современной биоэнергетики, включающей производство тепла, электричества, биотоплива и биогаза из биомассы, в области обеспечения экологической и энергетической безопасности.

The technology possibilities of modern bioenergy transformation, including the heat, electricity, biofuels and biogas production, in the ecology and energy safety field are discussed.

Одной из важнейших задач современного мира является предотвращение глобального эколого-энергетического кризиса, связанного с ростом энергопотребления (примерно на 1-2% ежегодно), исчерпанием традиционных энергоресурсов (в первую очередь, нефти и газа) и повышением их стоимости, опасностью возникновения техногенных катастроф и загрязнением окружающей среды. Растущие потребности в энергии удовлетворяются в настоящий момент в основном за счет увеличения использования углеводородного топлива, что увеличивает давление на экологию со стороны энергетики. Особая роль в решении обозначенной задачи обеспечения экологической и энергетической безопасности принадлежит нетрадиционной возобновляемой энергетике, одно из центральных мест в которой занимает биоэнергетика, основанная на преобразовании энергии биомассы.

Накопление первичной энергии в биомассе, которая, по оценкам ученых, составляет на Земле около 2,4×1012 т, происходит в результате фотосинтеза, аккумулирующего 0.1% солнечной энергии, поступающей на земную поверхность. Полная мощность солнечного излучения, достигающего Земли, оценивается в 1017 Вт, что примерно в 10000 раз выше нынешней глобальной потребности в энергии. Таким образом, валовый энергетический потенциал всей биомассы на Земле составляет около 1014 Вт и в 10 раз превосходит мощность современной энергетики. Eсли для выращивания биомассы использовать 20% культивируемой поверхности Земли, то потенциал биоэнергетики будет 7-10 ТВт, что сопоставимо с тем количеством энергии, которое необходимо современному обществу. Для РФ энергетический потенциал биомассы составляет сейчас 470 млн. т у.т./год, технический – 130 млн. т у.т./год, экономический

ВЕСТНИК МЕЖДУНАРОДНОЙ АКАДЕМИИ НАУК (РУССКАЯ СЕКЦИЯ) • 2011 • СПЕЦИАЛЬНЫЙ ВЫПУСК

Антропоэкосистемы в биосфере: обеспечение безопасности, здоровья и качества жизни РАЗДЕЛ 1

– 70 млн. т у.т./год (Безруких П.П., 2010 г.). Потребность в энергоресурсах в РФ превышает 1 млрд. т у.т./год. Т.е. в перспективе отечественная биоэнергетика могла бы обеспечить 10% потребляемой в стране энергии.

Биомассу можно применять для производства тепла и электричества, экологически чистого биотоплива и биогаза (метана, водорода). В энергетике используют древесную и не древесную биомассу. Древесная биомасса – это отходы лесной, деревообрабатывающей, целлюлозно-бумажной промышленности и лесозаготовок; быстрорастущие деревья, специально выращиваемые для энергетических целей (так называемые энергетические леса), например, береза, ива, тополь, клен. Не древесная биомасса включает сельскохозяйственные и бытовые отходы, отходы животноводства и птицеводства, некоторые сельскохозяйственные и водные растения (рапс, сою, кукурузу, кокос, сахарный тростник, водоросли и др.), которые служат сырьем для производства биодизеля, биоэтанола и других видов биотоплива, используемых в автотранспортных средствах. Таким образом, биоэнергетика способствует не только решению проблем, связанных с ростом энергопотребления, но и развитию технологий утилизации отходов, улучшая тем самым экологическую обстановку.

В энергетике биомасса используется в основном в виде твердого топлива (дров, брикетов, топливных гранул – пеллет, щепы, соломы), которое замещает в котельных и на электростанциях традиционные ископаемые энергоресурсы. Минимальное количество отходов и наибольшая теплоотдача достигаются при сжигании размельченной, гранулированной и спрессованной в брикеты древесины. Кроме этого, в биогазовых и газогенераторных установках из биомассы с помощью технологий пиролиза (нагревания без доступа кислорода) получают газообразные виды топлива (например, метан или водород), обладающие более высокой удельной теплотой сгорания по сравнению с исходным биологическим сырьем. Так, для сухой древесины средняя удельная теплота сгорания равна 1×107 Дж/кг, для метана – 5×107Дж/кг, для водорода – 12×107Дж/кг. Сжигание биогаза в специальных мини-установках мощностью 10 МВт и выше позволяет не только решить проблему обеспечения теплом и электроэнергией отдельных населенных пунктов и производств, но и создает предпосылки для выработки энергии в промышленных масштабах.

Также развиваются технологии производства жидкого биотоплива (биодизеля, биоэтанола, биометанола, биобутанола). Биодизель получают в основном из эфирных масел рапса, сои, кокоса, пальмы или из касторового масла. Главное преимущество биодизеля перед обычным дизелем – отсутствие выделения различных загрязнителей окружающей среды при его сжигании (например, оксидов серы). Главные недостатки – большой расход пресной воды при производстве этого вида биотоплива из традиционного растительного сырья (10000-20000 л воды на 1 л биодизеля), получение биодизеля из пищевых культур (что обостряет проблемы с продовольствием), быстрая потеря калорийности и невозможность использования в существующих автотранспортных средствах в чистом виде. Поэтому перспективными с точки зрения экологии являются те технологии производства биодизеля, которые не используют пресную воду и сельскохозяйственные растения. Одной из таких технологий является получение биодизеля из богатых маслом водорослей (оно не требует пресной воды).

Для производства биоэтанола, биометанола и биобутанола осуществляют сбраживание углеводов. Сырьем для таких технологий обычно служат сахарный тростник, кукуруза, пшеница, морской фитопланктон, некоторые породы быстрорастущих деревьев. Одна тонна сухих опилок позволяет получать до 200 л спирта. Отходы предприятий в сфере лесозаготовок в среднем составляют несколько тысяч тонн древесной стружки в год. Поэтому ежегодно с помощью отходов одного такого предприятия можно вырабатывать до 1 млн. л моторного топлива. В РФ имеются не только огромные запасы древесины и отходов ее переработки, но и избыточное растительное сырье низких сортов (пшеница и др.), а также значительные объемы органических отходов АПК, которые с помощью усовершенствованных высокорентабельных технологий могут быть эффективно переработаны в спирт для транспорта.

По своим энергетическим характеристикам жидкое биотопливо незначительно отличается от бензина (удельная теплота сгорания бензина – 4.6×10 7Дж/кг, биодизеля – 4.3×107Дж/кг, биоэтанола – 2.7×107Дж/кг, биометанола – 2.3×107Дж/кг ). Но выбросы углекислого газа при сжигании бензина выше. Кроме этого, КПД двигателей на биоэтаноле и биометаноле на 10-15% превосходит аналогичный показатель бензиновых ДВС, для биодизельных двигателей превосходство еще выше – в среднем на 40%.

Таким образом, развитие передовых технологий биоэнергетики создает предпосылки для эффективного решения проблем энергетики, экологии, природопользования и ресурсосбережения.

МЕЖДУНАРОДНАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ • «Экология человека: здоровье, культура и качество жизни»