Энергетическое использование биомассы
Вниманию читателей СиН предлагается статья Дмитрия Стребкова, академика РАСХН, директора ВНИИ электрификации сельского хозяйства (Россия).
Введение
До XVII века в России биомасса была основным источником энергии. В странах экваториального пояса биомасса и сейчас остается основным источником энергии. Ее доля в энергобалансе развивающихся стран составляет 35%, в мировом потреблении энергоресурсов — 12%, в России — 3%. Биомасса используется в России в основном в виде дров и отходов растениеводства для отопления домов, общественных зданий, в сельской местности — для технологических процессов сушки, получения пара и горячей воды в производственных зданиях. В связи с этим важной задачей является повышение эффективности используемого печного и котельного оборудования и его автоматизация. Если учесть, что только 2 млн сельских домов в России имеют сетевой газ, то остальные 12,6 млн домов используют дрова и уголь в южных районах или только дрова в лесных зонах. Самозаготовки дров сельским населением оцениваются в объеме 30 млн т у.т. в год. С учетом рабочих поселков, леспромхозов, геологов, рыболовецких и других хозяйств использование биомассы можно оценить в 40 млн т у.т. в год. К 2010 г. объем использования биомассы возрастет, по нашим оценкам, более чем в 3 раза, в первую очередь, за счет использования биомассы для получения электроэнергии, теплоты, в паротурбинных и газотурбинных установках. Кроме того, к 2010 г. появятся коммерческие технологии получения моторного топлива из биомассы. В долговременной перспективе биомасса может дать России столько же энергии, сколько дают все месторождения нефти Республики Коми (и все АЭС).
Технологии получения электроэнергии из биомассы
Современные паротурбинные электростанции, использующие биомассу в виде древесины, растительных отходов, топливных брикетов, имеют КПД 20-25%. В США для производства электроэнергии и теплоты работает в общей сложности 8000 МВт таких электростанций. Уровень мощности электростанций, работающих на биомассе, может составлять от нескольких десятков киловатт для фермерского хозяйства (100 кВт для небольшой деревни) до 100 МВт для промышленных целей. Для установок малой мощности могут быть использованы технологии газификации биомассы и газогенераторные установки с двигателями внутреннего сгорания. Прототип такой установки электрической мощностью 2 кВт и тепловой мощностью 4 кВт разработан ВИЭСХ совместно с МАИ. Газотурбинные электростанции с установками газификации биомассы имеют КПД = 40-45%, что вдвое лучше характеристик паротурбинных электростанций. Малое содержание серы облегчает очистку генераторного газа и делает эти установки более экономичными, чем электростанции, работающие на угле. Биомасса имеет превосходство перед углем также благодаря своей более высокой способности к реакции газификации — уголь газифицируется при высокой температуре в чистом кислороде, что требует использования установок для сжижения воздуха и получения кислорода. Биомасса газифицируется при более низкой температуре, при этом теплота для поддержания процесса может быть передана через теплообменники от внешнего источника. Состав генераторного газа: 18-20% Н2, 18-20% СО, 2-3% СН4, 8-10% СО2, остальное — азот.
Сельскохозяйственные отходы лесопереработки могут обеспечить топливом электростанции малой мощности (до 1 МВт). Для электростанций большей мощности необходимо использовать энергетические плантации для крупномасштабного производства биомассы. Для энергетических плантаций создаются быстрорастущие сорта тополя и ивы для средней полосы и эвкалипта для южной климатической зоны. Количество энергии, которое можно получить с энергетической плантации при урожайности 15 т сухой биомассы с 1 га в год и теплотворной способности 15 МДж/кг, составляет 225 ГДж/Га (6,75 т у.т./га). При КПД газотурбинной электростанции, составляющем 40%, один гектар энергетической плантации может обеспечить экологически чистым топливом производство электроэнергии в объеме 25,2 МВтч (2,7 т у.т) в год. В России в 1995 г. не использовалось 15 млн га пашни. Если эти земли использовать для энергетических плантаций, можно получить 378 МВтч (40,5 млн т у.т.) электроэнергии в год, что более чем втрое превышает производство электроэнергии на российских АЭС.
Технологии получения моторного топлива из биомассы
Большинство исследований по созданию моторного топлива из биомассы направлено на получение этанола из сахарного тростника, зерна и сахарной свеклы, а также рапсового метилового эфира из семян рапса. При урожайности семян рапса 3 т/га с одного гектара можно получить 1 т моторного топлива и 2 т высококачественных кормов. Свойства моторного топлива, получаемого из семян рапса, близки к дизельному топливу, однако вредные выбросы при использовании биодизельного топлива значительно снижены. В Чехии производится 700.000 т биодизельного топлива в год. Как показывает опыт Чехии и Германии, коммерциализация этой технологии при современных ценах на нефть может быть обеспечена только с помощью государственных субсидий.
Другой перспективной технологией производства моторного топлива является быстрый пиролиз с 80-процентным выходом топлива по отношению к массе исходного растительного сырья. Теплотворная способность этого топлива составляет 50% данной характеристики дизельного топлива, оно может сохраняться, транспортироваться и использоваться в печах, паровых котлах и газовых турбинных установках. Биотопливо может быть разделено на углеводородное топливо, бензин, дизельное топливо и химические побочные продукты. По данным Эр Эйч Уильямса (Принстонский университет, США), возможные объемы получения энергии с одного гектара составляют в гигаджоулях для рапсового метилового эфира 50, для этанола: из пшеницы — 70, из сахарной свеклы — 135, из сахарного тростника — 105, для получения этанола путем гидролиза древесины — 115, для получения этанола путем термохимической газификации древесины — 160, для получения водорода из древесины путем газификации — 205. Если учитывать современную стоимость энергии, то метанол и водород будут стоить дороже, чем углеводородное топливо. Однако, если вместо двигателя внутреннего сгорания использовать топливные элементы, которые имеют в 2,5 раза больший КПД, то водород и метанол будут в 4-8 раз энергетически выгоднее, чем этанол из древесины и рапсовый метиловый спирт. Топливные элементы могут работать на водородной смеси, получаемой окислением из моторного топлива, на метаноле и водороде, получаемых из природного газа, а также из угля или биомассы. Метанол при обработке водяным паром образует газообразную смесь водорода и углекислого газа.
Экологическая оценка технологий использования биомассы
Даже при одинаковой стоимости процесса газификации использование биомассы более предпочтительно, чем угля — из-за низкого содержания серы. При надлежащем контроле современные технологии получения топлива и энергии из биомассы являются надежными и чистыми и оказывают незначительное воздействие на воздух, почву и воду. Использование биомассы как возобновляемого топлива для производства электроэнергии в транспорте не приводит к возрастанию СО2 и SО2 в атмосфере, увеличению парникового эффекта и глобальному изменению климата. Эмиссия NOx может быть снижена при низких температурах сгорания и использовании современных технологий. Увеличение производства биомассы улучшает микроклимат благодаря использованию воды и рециркуляционных механизмов. Производство и использование компостов из биомассы улучшает структуры почвы и снижает загрязнение стоков и подземных вод. Контролируемые на основе современного агрономического опыта энергетические плантации предупреждают эрозию почвы, способствуют улучшению окружающей среды. Развитие энергетики и использование биомассы позволит создать новые рабочие места в сельских районах и улучшить социальные условия жизни людей. Возможности преобразования биомассы в моторное топливо и электрическую энергию позволяют удовлетворить потребности российских регионов в первичной энергии при снижении потребления сырой нефти.
По данным www.intersolar.ru подготовил Сергей ЗОЛОТОВ
Введение
До XVII века в России биомасса была основным источником энергии. В странах экваториального пояса биомасса и сейчас остается основным источником энергии. Ее доля в энергобалансе развивающихся стран составляет 35%, в мировом потреблении энергоресурсов — 12%, в России — 3%. Биомасса используется в России в основном в виде дров и отходов растениеводства для отопления домов, общественных зданий, в сельской местности — для технологических процессов сушки, получения пара и горячей воды в производственных зданиях. В связи с этим важной задачей является повышение эффективности используемого печного и котельного оборудования и его автоматизация. Если учесть, что только 2 млн сельских домов в России имеют сетевой газ, то остальные 12,6 млн домов используют дрова и уголь в южных районах или только дрова в лесных зонах. Самозаготовки дров сельским населением оцениваются в объеме 30 млн т у.т. в год. С учетом рабочих поселков, леспромхозов, геологов, рыболовецких и других хозяйств использование биомассы можно оценить в 40 млн т у.т. в год. К 2010 г. объем использования биомассы возрастет, по нашим оценкам, более чем в 3 раза, в первую очередь, за счет использования биомассы для получения электроэнергии, теплоты, в паротурбинных и газотурбинных установках. Кроме того, к 2010 г. появятся коммерческие технологии получения моторного топлива из биомассы. В долговременной перспективе биомасса может дать России столько же энергии, сколько дают все месторождения нефти Республики Коми (и все АЭС).
Технологии получения электроэнергии из биомассы
Современные паротурбинные электростанции, использующие биомассу в виде древесины, растительных отходов, топливных брикетов, имеют КПД 20-25%. В США для производства электроэнергии и теплоты работает в общей сложности 8000 МВт таких электростанций. Уровень мощности электростанций, работающих на биомассе, может составлять от нескольких десятков киловатт для фермерского хозяйства (100 кВт для небольшой деревни) до 100 МВт для промышленных целей. Для установок малой мощности могут быть использованы технологии газификации биомассы и газогенераторные установки с двигателями внутреннего сгорания. Прототип такой установки электрической мощностью 2 кВт и тепловой мощностью 4 кВт разработан ВИЭСХ совместно с МАИ. Газотурбинные электростанции с установками газификации биомассы имеют КПД = 40-45%, что вдвое лучше характеристик паротурбинных электростанций. Малое содержание серы облегчает очистку генераторного газа и делает эти установки более экономичными, чем электростанции, работающие на угле. Биомасса имеет превосходство перед углем также благодаря своей более высокой способности к реакции газификации — уголь газифицируется при высокой температуре в чистом кислороде, что требует использования установок для сжижения воздуха и получения кислорода. Биомасса газифицируется при более низкой температуре, при этом теплота для поддержания процесса может быть передана через теплообменники от внешнего источника. Состав генераторного газа: 18-20% Н2, 18-20% СО, 2-3% СН4, 8-10% СО2, остальное — азот.
Сельскохозяйственные отходы лесопереработки могут обеспечить топливом электростанции малой мощности (до 1 МВт). Для электростанций большей мощности необходимо использовать энергетические плантации для крупномасштабного производства биомассы. Для энергетических плантаций создаются быстрорастущие сорта тополя и ивы для средней полосы и эвкалипта для южной климатической зоны. Количество энергии, которое можно получить с энергетической плантации при урожайности 15 т сухой биомассы с 1 га в год и теплотворной способности 15 МДж/кг, составляет 225 ГДж/Га (6,75 т у.т./га). При КПД газотурбинной электростанции, составляющем 40%, один гектар энергетической плантации может обеспечить экологически чистым топливом производство электроэнергии в объеме 25,2 МВтч (2,7 т у.т) в год. В России в 1995 г. не использовалось 15 млн га пашни. Если эти земли использовать для энергетических плантаций, можно получить 378 МВтч (40,5 млн т у.т.) электроэнергии в год, что более чем втрое превышает производство электроэнергии на российских АЭС.
Технологии получения моторного топлива из биомассы
Большинство исследований по созданию моторного топлива из биомассы направлено на получение этанола из сахарного тростника, зерна и сахарной свеклы, а также рапсового метилового эфира из семян рапса. При урожайности семян рапса 3 т/га с одного гектара можно получить 1 т моторного топлива и 2 т высококачественных кормов. Свойства моторного топлива, получаемого из семян рапса, близки к дизельному топливу, однако вредные выбросы при использовании биодизельного топлива значительно снижены. В Чехии производится 700.000 т биодизельного топлива в год. Как показывает опыт Чехии и Германии, коммерциализация этой технологии при современных ценах на нефть может быть обеспечена только с помощью государственных субсидий.
Другой перспективной технологией производства моторного топлива является быстрый пиролиз с 80-процентным выходом топлива по отношению к массе исходного растительного сырья. Теплотворная способность этого топлива составляет 50% данной характеристики дизельного топлива, оно может сохраняться, транспортироваться и использоваться в печах, паровых котлах и газовых турбинных установках. Биотопливо может быть разделено на углеводородное топливо, бензин, дизельное топливо и химические побочные продукты. По данным Эр Эйч Уильямса (Принстонский университет, США), возможные объемы получения энергии с одного гектара составляют в гигаджоулях для рапсового метилового эфира 50, для этанола: из пшеницы — 70, из сахарной свеклы — 135, из сахарного тростника — 105, для получения этанола путем гидролиза древесины — 115, для получения этанола путем термохимической газификации древесины — 160, для получения водорода из древесины путем газификации — 205. Если учитывать современную стоимость энергии, то метанол и водород будут стоить дороже, чем углеводородное топливо. Однако, если вместо двигателя внутреннего сгорания использовать топливные элементы, которые имеют в 2,5 раза больший КПД, то водород и метанол будут в 4-8 раз энергетически выгоднее, чем этанол из древесины и рапсовый метиловый спирт. Топливные элементы могут работать на водородной смеси, получаемой окислением из моторного топлива, на метаноле и водороде, получаемых из природного газа, а также из угля или биомассы. Метанол при обработке водяным паром образует газообразную смесь водорода и углекислого газа.
Экологическая оценка технологий использования биомассы
Даже при одинаковой стоимости процесса газификации использование биомассы более предпочтительно, чем угля — из-за низкого содержания серы. При надлежащем контроле современные технологии получения топлива и энергии из биомассы являются надежными и чистыми и оказывают незначительное воздействие на воздух, почву и воду. Использование биомассы как возобновляемого топлива для производства электроэнергии в транспорте не приводит к возрастанию СО2 и SО2 в атмосфере, увеличению парникового эффекта и глобальному изменению климата. Эмиссия NOx может быть снижена при низких температурах сгорания и использовании современных технологий. Увеличение производства биомассы улучшает микроклимат благодаря использованию воды и рециркуляционных механизмов. Производство и использование компостов из биомассы улучшает структуры почвы и снижает загрязнение стоков и подземных вод. Контролируемые на основе современного агрономического опыта энергетические плантации предупреждают эрозию почвы, способствуют улучшению окружающей среды. Развитие энергетики и использование биомассы позволит создать новые рабочие места в сельских районах и улучшить социальные условия жизни людей. Возможности преобразования биомассы в моторное топливо и электрическую энергию позволяют удовлетворить потребности российских регионов в первичной энергии при снижении потребления сырой нефти.
По данным www.intersolar.ru подготовил Сергей ЗОЛОТОВ
Строительство и недвижимость. Статья была опубликована в номере 26 за 2006 год в рубрике энергетика
