0. Биологическая энергия

Под действием солнечного излучения в растениях образуются органические вещества и аккумулируется химическая энергия. Этот процесс называется фотосинтезом. Животные су- ществуют за счет прямого или косвенного получения энергии и вещества от растений. Этот процесс соответствует трофическому уровню фотосинтеза. В результате фотосинтеза проис- ходит естественное преобразование солнечной энергии. Вещества, из которых состоят расте- ния и животные, называют биомассой. Посредством химических или биохимических процес- сов биомасса может быть превращена в определенные виды топлива: газообразный метан, жидкий метанол, твердый древесный уголь. Продукты сгорания биотоплива путем естест-

венных экологических или сельскохозяйственных про- цессов вновь превращаются в биотопливо. Система кру- говорота биомассы показана на рис. 3.2.

Энергия биомассы может использоваться в промышленности, домаш- нем хозяйстве. Так, в стра- нах, поставляющих сахар, за

счет отходов его производ-

Рис. 3.2. Система планетарного круговорота биомассы

ства покрывается до 40%

потребностей в топливе.

Биотопливо в виде дров, навоза и ботвы растений применяется в домашнем хозяйстве при- мерно 50% населения планеты для приготовления пищи, обогрева жилищ.

Получаемые в результате переработки виды биотоплива и ее КПД приведены в табли- це 3.1.

КПД некоторых видов биотоплива

Таблица 3.1

Источник биомассы или топлива	Производимое биотопливо	Технология переработки	КПД переработки, %
Лесоразработки	теплота	сжигание	70
Отходы переработки древесины	теплота газ нефть уголь	сжигание пиролиз	70 85
Зерновые	солома	сжигание	70
Сахарный тростник, сок	этанол	сбраживание	80
Сахарный тростник, отходы	жмых	сжигание	65
Навоз	метан	анаэробное (без дос- тупа воздуха) раз- ложение	50
Городские стоки	метан	анаэробное разло- жение	50
Мусор	теплота	сжигание	50

Существуют различные энергетические способы переработки биомассы (рис. 3.3):

• термохимические (прямое сжигание, газификация, пиролиз);

• биохимические (спиртовая ферментация, анаэробная или аэробная переработка, биофотолиз);

• агрохимические (экстракция топлива).

Рис. 3.3. Классификация основных типов энергетических процессов связанных с переработкой биомассы

В последнее время появились проекты создания искусственных энергетических план- таций для выращивания биомассы и последующего преобразования биологической энер- гии. Для получения тепловой мощности равной 100 МВт потребуется около 50м² площади

энергетических плантаций. Более широкий смысл имеет понятие энергетических ферм, ко- торое подразумевает производство биотоплива как основного или побочного продукта сельскохозяйственного производства, лесоводства, речного и морского хозяйства, про- мышленной и бытовой деятельности человека.

В климатических условиях Беларуси с 1 га энергетических плантаций собирается масса растений в количестве до 10 т сухого вещества, что эквивалентно примерно 5 т. у. т. При дополнительных агроприемах продуктивность 1 га может быть повышена в 2-3 раза. Наиболее целесообразно использовать для получения сырья выработанные торфя- ные месторождения, площадь которых в республике составляет около 180 тыс. га. Это может стать стабильным экологически чистым и биосферно совместимым источником энергетического сырья.

Биомасса – наиболее перспективный и значительный возобновляемый источник энер- гии в республике, который может обеспечивать до 15% се потребностей в топливе. В таб- лице 3.2 указана структура и оценка его потенциала.

Потенциал использования биомассы

Таблица 3.2

Вид биотоплива	Потенциал
Древесное топливо, включая отходы лесо- пользования и переработки	Около 3,0 млн.т.у.т./год (2,1 млн. т.н.э./год) + экологический эффект
Отходы растениеводства, фитомасса	До 2,0 млн.т.у.т./год (1,4 млн. т.н.э./год) + экологич.эффект + удобрения
Бытовые органические отходы	Около 472 тыс.т.у.т./год (330 тыс. т.н.э./год)
Технически возможный потенциал (без выращивания специальных быстрорастущих де- ревьев и высокоурожайных растений) — 7,05 млн. т.у.т./год (4,93 млн. т.н.э./год)
Экономически целесообразный потенциал в настоящий период (в основном древесное то- пливо) — 3,58 млн. т.у.т./год (2,5 млн. т.н.э./год)

Весьма многообещающе для Беларуси использование в качестве биомассы отходов жи- вотноводческих ферм и комплексов. Получение из них биогаза может составить около 890 млн. м³ в год., что эквивалентно 160 тыс. т.у.т. Энергосодержание 1м³ биогаза (60-75% мета- на, 30-40% углекислого газа, 1,5% сероводорода) составляет 22,3 МДж, что эквивалентно 0,5 м³ очищенного природного газа, 0,5 кг дизельного топлива, 0,76 кг условного топлива. Сдерживающим фактором развития биогазовых установок в республике являются продол- жительные зимы, большая металлоёмкость установок, неполная обеззараженность органиче- ских удобрений. Важным условием реализации потенциала биомассы является создание со- ответствующей инфраструктуры – от заготовки, сбора сырья до доставки конечной продук- ции потребителю. Биоэнергоустановку рассматривают в первую очередь как установку для производства органических удобрений и попутно – для получения биотоплива, позволяюще- го получить тепловую и электрическую энергию.

Термохимические методы переработки биомассы. Пиролиз – процесс нагревания биомассы либо в отсутствие воздуха, либо за счет сгорания некоторой ее части при ограни- ченном доступе воздуха или кислорода. КПД процесса пиролиза достигает 80-90 %.

В качестве исходного энергетического продукта в процессе пиролиза могут использо- ваться:

• органическое топливо (уголь, сланцы, торф и т. д.);

• древесные отходы;

• сельскохозяйственные отходы (солома, ботва растений и т. п.);

• биобрикеты и т. д.

Состав получаемых при этом вторичных энергетических продуктов чрезвычайно разно- образен. Изменение состава продуктов пиролиза зависит от температурных условий, типа вводимого в процесс сырья, способов ведения процесса. Разновидности топлива, получаемо- го в результате пиролиза, имеют несколько меньшую по сравнению с исходной биомассой суммарную энергию сгорания, но отличаются большей универсальностью применения:

• лучшей управляемостью процесса горения и соответственно повышением его энерго- эффективности;

• большей технологичностью, более широким диапазоном возможных потребителей и соответственно более высокими экономическими и качественными показателями.

Газификация – способ ведения процесса пиролиза, при котором основным энергетиче- ским продуктом является горючий газ.

Газогенератор – устройство, в котором реализуется процесс газификации (рис.2.3).

В состав образующегося в газоге- нераторе генераторного газа входят следующие горючие компоненты: окись углерода, водород, газообразные углеводороды, метан.

Процесс газификации включает такие последовательные фазы, как сушка, пиролиз (коксование) и собст- венно газификация топлива.

В зоне сушки происходит выпа- ривание начальной влаги из посту- пающего в газогенератор топлива за счет остаточной теплоты уходящего генераторного газа.

В зоне пиролиза при температуре до 800 °С от топлива отделяются лег- кие газообразные фракции, самой важ- ной из которых является метан (СН₄). Закоксовавшееся в зоне пиролиза топ- ливо сначала реагирует с кислородом, находящимся в свежем воздухе, обра- зуя двуокись углерода и водяной пар:

С + О₂ => СО₂ (горение);

Рис. 3.4. Конструкция промышленного газогенера- тора

2Н₂ + О₂ => 2Н₂О.

В зоне газификации при тем-

пературе свыше 900 °С СО₂ и Н₂О продолжают реагировать с углеродом, образуя окись уг- лерода и водород, которые являются активно горящими газами:

СО₂ + С => СО₂ Н₂О + С => Н₂ + СО.

Следует указать, что верхняя граница температуры прохождения реакции газогенера- ции ограничена значениями 1100-1200 °С (температура плавления золы).

Биохимические методы переработки биомассы. Анаэробное разложение – процесс получения энергии из биомассы микроорганизмами (анаэробными бактериями) в отсутствие или при недостатке кислорода и света. Полезный энергетический продукт этого процесса - биогаз.

Биогаз - смесь углекислого газа (СО₂) и метана (СН₄). Энергетическая эффективность процесса сжигания биогаза может достигать 60-90 % эффективности сжигания сухого ис-

ходного материала.

Основное уравнение, описывающее процесс анаэробного разложения биомассы (на примере целлюлозы) имеет следующий вид:

С₆Н₁₀О₅ + Н₂О => 3СО₂ + 3СН₄.

Биогазогенератор – устройство, в котором реализуется процесс преимущественного получения СН₄ посредством анаэробного разложения исходной биомассы. Конструкции био- газогенераторов отличаются чрезвычайным разнообразием как по организации собственно технологического процесса анаэробной переработки биомассы, так и по составу исходного продукта (рис. 3.5). В мире эксплуатируется 8 млн. установок для получения биогаза.

Спиртовая ферментация – процесс получения этилового спирта в качестве энергетического продукта. Этиловый спирт (этанол) С₂Н₅ОН - летучее жидкое топливо, которое можно использовать вме- сто бензина.

В естественных условиях эта- нол образуется из сахаров соответ- ствующими микроорганизмами в кислой среде (рН от 4 до 5).

Основная реакция превраще- ния сахарозы в этанол имеет сле- дующий вид:

Рис. 3.5. Технологические схемы китайского биогазоге- нератора (а) и установки для промышленной перера- ботки отходов животноводства (б): 1 - ввод материа- ла; 2 - газопровод; 3 - съемная крышка; 4 - вывод перера- ботанного материала; 5 - разделительная стенка; 6 - ферментатор; 7 - газ; 8 - ферма; 9 - навозоприемник; 10

• насос; 11 - метантенк; 12 - газгольдер; 13 - теплооб- менник;14 - котел; 15 - переработанный остаток

онных двигателях.

Дрожжи

C₁₂H₂₂O₁₁ + Н₂О => 4С₂Н₅ОН

+ 4СО₂.

Жидкие топлива, и в част- ности этанол, отличаются чрезвы- чайной технологической эффек- тивностью из-за удобства исполь- зования и хорошего управления процессом горения в двигателях внутреннего сгорания.

В качестве заменителя бензи- на этанол можно использовать в виде:

• 95 % -го этанола в модерни- зированных двигателях;

• смеси 100 %-го (обезвожен- ного) этанола с бензином в соот- ношении один к десяти в традици-

В настоящее время стоимость топливного этанола сравнима со стоимостью бензина, причем наблюдается тенденция ее снижения. Вместе с тем этанол характеризуется более вы- соким октановым числом.

Фотолиз - процесс разложения воды на водород и кислород под действием света. Если водород сгорает или взрывается в качестве топлива при смешении с воздухом, то происходит рекомбинация О₂ и Н₂.

Некоторые биологические организмы продуцируют или могут при определенных усло- виях продуцировать водород путем биофотолиза.

Подобный результат можно получить химическим путем без участия живых организ- мов в лабораторных условиях. Промышленного внедрения эти технологии еще не получили.

Агрохимические методы переработки биомассы. Экстракция топлив – процесс по- лучения жидких или твердых топлив прямо от растений или животных.

Продукцию растений можно разделить на следующие категории:

• семена – подсолнечник с массовым содержанием масла до 50 %, рапс;

• орехи – пальмовое масло, копра кокосов с массовым содержанием масла до 50%;

• плоды – оливки;

• листья – эвкалипт с массовым содержанием масла до25%;

• сок растений – сок каучука;

• продукты переработки отходов растений – масла и растворители до 15 % сухой массы

(например, скипидар, канифоль, маслянистые смолы и т. д.).

Возможна организация ферм по производству агрохимических топлив на основе пере- численных выше растений. Вместе с тем получаемые таким образом продукты по своим хи- мическим свойствам могут быть гораздо ценнее, чем просто топливо.

В связи с этим более предпочтительным представляется способ получения агрохимиче- ских топлив, который основан на культивировании специализированных микроводорослей. Исследования возможности использования микроводорослей в процессе экстракции топлив показали, что содержание в них углеводородов - основного горючего компонента - может быть довольно значительным. Так, в сухих клетках зеленой расы микроводоросли «ботрио- коккус браунии» содержится от 1 до 36 % углеводородов, а в сухих клетках коричневой расы

- до 86%. Предполагается, что залежи нефти обязаны своим происхождением предкам имен- но этих микроводорослей. Углеводороды, вырабатываемые «ботриококкус браунии», в ос- новном локализованы на наружной поверхности клетки и могут быть удалены механически- ми методами. Оставшуюся биомассу можно подвергнуть гидрокрекингу, в результате кото- рого получают 65 % газолина, 15 % авиационного топлива, 3 % остаточных масел.

Энергетическая программа Республики Беларусь до 2010 г. предусматривает ряд круп- номасштабных мероприятий в области биоэнергетики. Считается, что применение биоэнер- гетических установок по переработке отходов животноводства позволит существенно улуч- шить экологическую обстановку вблизи крупных животноводческих комплексов, где к на- стоящему времени скопились огромные количества непереработанной биомассы. Кроме то- го, можно рассчитывать на получение высококачественных органических удобрений и за счет производства биогаза обеспечить экономию 116 тыс. т условного топлива в год.