Енергія біомаси

1. Енергія з біомаси

Біомаса як похідна енергії Сонця в хімічній формі є одним з найбільш популярних і універсальних ресурсів на Землі. Вона дозволяє отримувати не лише їжу, а й енергію, будівельні матеріали, папір, тканини, медичні препарати та хімічні речовини. Біомаса використовується для енергетичних цілей з моменту відкриття людиною вогню. Сьогодні паливо з біомаси може використовуватися для різних цілей – від обігріву житла до виробництва електроенергії та палив для автомобілів.

Хімічний склад біомаси

Хімічний склад біомаси може відрізнятися залежно від її виду. Зазвичай рослини складаються з 25% лігніну та 75% вуглеводів або цукрів. Вуглеводна фракція складається з багатьох молекул цукрів, з’єднаних між собою у довгі ланцюги або полімери. Дві найважливіші категорії вуглеводів, які мають значну цінність, це целюлоза та геміцелюлоза. Фракція лігніну складається з молекул нецукрового типу. Природа використовує довгі полімери целюлози для створення волокон, які надають рослині міцності. Фракція лігніну діє як «клей», який утримує целюлозні волокна разом.

Як утворюється біомаса?

Двоокис вуглецю з атмосфери та вода з ґрунту беруть участь у процесі фотосинтезу з отриманням вуглеводів (цукрів), які й утворюють "будівельні блоки" біомаси. Таким чином, сонячна енергія, яка використовується при фотосинтезі, зберігається у хімічній формі у біомасовій структурі. Якщо ми спалюємо біомасу ефективним чином (вилучаємо хімічну енергію), то кисень з атмосфери та вуглець, що міститься в рослинах, вступають у реакцію з утворенням двоокису вуглецю та води. Процес є циклічним, тому що двоокис вуглецю може знову брати участь у виробництві нової біомаси.

На додаток до свого естетичного значення земної флори біомаса є корисним і значущим ресурсом для людини. Протягом тисячоліть люди видобували енергію Сонця, збережену у вигляді енергії хімічних зв'язків, спалюючи біомасу як паливо або вживаючи її в їжу, використовуючи енергію цукрів та крохмалю. Протягом кількох останніх століть людство навчилося видобувати викопну біомасу, зокрема у вигляді вугілля. Це викопне паливо є результатом дуже повільної хімічної трансформації полісахаридів у хімічні сполуки, подібні до лігнінової фракції.

У результаті хімічний склад вугілля забезпечує більш концентроване джерело енергії. Усі види викопного палива, які споживає людство - вугілля, нафту, природний газ - є стародавньою біомасою. Протягом мільйонів років на Землі залишки рослин перетворюються на цінне паливо. Незважаючи на те, що викопне паливо складається з тих же компонентів - водню і вуглецю - як і "свіжа" біомаса, його не можна вважати відновлюваним джерелом, тому що його утворення потребує такого тривалого часу.

Торф. Фото: rea.org.ua Буре вугілля з високим вмістом лігніту. Фото: rea.org.ua

Інша важлива відмінність між біомасою та викопними видами палива визначається їх впливом на навколишнє середовище. Коли рослина розкладається, вона викидає більшу частину своїх хімічних речовин назад в атмосферу. Навпаки, викопне паливо "замкнене" глибоко під землею і не впливає на атмосферу доти, доки не буде спалене.

Деревина, мабуть, є найбільш відомим прикладом біомаси. У процесі спалювання вивільняється енергія, яку дерево засвоїло, поглинувши сонячне проміння. Проте, деревина – лише один приклад біомаси. Крім деревини можуть використовуватися й інші види біомаси - сільськогосподарські відходи (наприклад, жом цукрової тростини, стебла кукурудзи, солома, лушпиння соняшника, та навіть шкаралупа горіхів), деревні відходи (наприклад, тирса, порубкові рештки, тріска), паперові відходи, відходи зелених насаджень у міському смітті, енергетичні рослини (швидкорослі дерева, наприклад тополя або верба, і такі багаторічні трави, як Просо Прутовидне чи Міскантус), а також біометан, зібраний на полігонах твердих побутових відходів (ТПВ), станціях очищення муніципальних стічних вод. Для цієї мети може використовуватися і гній тваринницьких та птахоферм.

Біомаса вважається одним із ключових відновлюваних енергетичних ресурсів майбутнього. Сьогодні вона забезпечує 12% валового кінцевого споживання енергії (станом на 2019). Для трьох чвертей населення людства, що у країнах, що розвиваються, біомаса є найважливішим джерелом енергії. Збільшення населення та споживання енергії на одного жителя, а також виснаження ресурсів викопного палива можуть призвести до швидкого збільшення попиту на біомасу в країнах, що розвиваються. У середньому, у країнах біомаса забезпечує 38% первинної енергії (а в деяких країнах 90%). Цілком імовірно, що біомаса залишиться важливим глобальним джерелом енергії в країнах, що розвиваються, протягом усього 21 століття.

У 2019 році тверда біомаса, переважно з лісового сектору, становила більшу частину постачання біомаси на всіх континентах у світі. Європа є лідером у постачанні біогазу, частка якого склала більше половини постачання біогазу в світі. Також, Європа виробляє 64% всієї енергії з міських відходів. Америка (переважно США та Бразилія) є лідером постачання рідкого біопалива, що становило 70% від всього постачання в світі у 2019 році.

Понад 35% біоенергії, використаної у 2021 році, було отримано з біомаси, що використовувалась у традиційних методах приготування їжі в країнах, що розвиваються. Таке "традиційне" використання біомаси є несталим, неефективним та таким, що забруднює навколишнє середовище та пов’язане з 5 мільйонами передчасних смертей лише у 2021 році (дані МЕА). На противагу такому "традиційному" використанню біомаси в останні роки розвивається сучасне використання біомаси із застосуванням високоефективного обладнання. У період з 2010 по 2021 рік використання сучасної біоенергетики зростало в середньому приблизно на 7% на рік і має тенденцію до подальшого зростання. Сьогодні саме сучасна біоенергетика є найбільшим джерелом відновлюваної енергії у світі, на яку припадає 55% відновлюваної енергії та понад 6% світового енергопостачання.

Використання біомаси як джерела енергії у світі (Станом на кінець XX ст.)

Споживання біомаси зростає швидкими темпами та в розвинених країнах. У деяких розвинених країнах біомаса використовується дуже інтенсивно. Наприклад, Швеція та Австрія забезпечують 15% потреби у первинних енергоносіях за рахунок біомаси. Швеція планує збільшити споживання біомаси в майбутньому, супроводжуючи це зростання закриттям атомних та теплових електростанцій, що використовують викопні види палива.

У США, де 4% енергії одержують із біомаси (майже стільки ж, як від атомних електростанцій), сьогодні працюють установки, які спалюють біомасу для отримання електроенергії загальною встановленою потужністю 9000 МВт. Біомаса може легко забезпечити більше 20% енергетичних потреб країни. Іншими словами, наявні земельні ресурси та інфраструктура сільського господарства дозволяють замінити всі працюючі атомні станції без зміни цін на продовольчі товари. Більше того, використання біомаси для виробництва етанолу могло б зменшити імпорт нафти на 50%.

Розподіл біомаси у світі

2. Біомаса - основні дані

• Загальна маса живої матерії (включаючи вологість) – 2000 мільярдів тонн
• Загальна маса наземних рослин - 1800 мільярдів тонн
• Загальна маса лісу -1600 мільярдів тонн
• Кількість наземної біомаси на одного жителя - 400 тонн
• Кількість енергії, накопиченої наземною біомасою - 25 000 ЕДж (1 ЕДж=10+18 Дж)
• Річний приріст біомаси - 400 000 мільйонів тонн
• Швидкість накопичення енергії наземною біомасою - 3000 ЕДж/рік (95 TВт)
• Загальне споживання всіх видів енергії - 400 ЕДж/рік (12 TВт)
• Споживання енергії біомаси - 55 ЕДж/рік (1,7 TВт)

Їжа чи паливо?

Більшість критики використання біомаси, особливо у великомасштабному виробництві палива, пов'язана з побоюваннями, що воно відволікає сільське господарство від виробництва продуктів харчування, особливо в країнах, що розвиваються. Основний аргумент полягає в тому, що програми вирощування енергетичних рослин конкурують з вирощуванням харчових культур у різний спосіб (сільське господарство, інвестиції в сільські райони, інфраструктура, вода, добрива, навчені людські ресурси тощо), а це може призвести до нестачі продовольства та підвищення цін. Однак це так зване протиріччя "їжа проти палива" виявляється перебільшеним у багатьох випадках.

Предмет обговорення складніший, ніж це зазвичай видається, оскільки сільськогосподарська та експортна політика постачання продовольства є чинниками величезного значення. Аргументи повинні аналізуватися з урахуванням реальної ситуації у світі, окремій країні чи регіоні із забезпеченням та потребою у продовольстві (збільшенням надлишків продуктів харчування в більшості промислових та деяких країнах, що розвиваються), використанням продовольства як корм для худоби, недостатнім використанням аграрного потенціалу, що збільшується потенціалом сільськогосподарського виробництва та перевагами чи недоліками виробництва біопалива.

Нестача продовольства та збільшення цін, з якими зіткнулася Бразилія на початк 90-х років 20 століття, часто пов'язували з реалізацією програми ProAlcool. Однак ретельне вивчення не підтверджує, що виробництво етанолу негативно впливає на ринок продовольства, оскільки Бразилія залишається одним із найбільших експортерів сільськогосподарської продукції, а зростання виробництва продуктів харчування обганяє темпи зростання населення. Виробництво зернових у країні 1976 року становило 416 кг на особу, у 1987 року - 418 кг, а у 2020 - 588 кг.

З 55 млн га земельних угідь, призначених для вирощування харчових культур, лише 4.1 млн га (7.5%) було використано для вирощування цукрової тростини, що становить лише 0.6% загальної площі країни, придатної для економічного використання або 0.3% території Бразилії. При цьому лише 1.7 млн га було використано для виробництва етанолу. Таким чином, протиріччя між харчовими та енергетичними культурами не є критичним. Більше того, заміна вирощуваних культур на цукрову тростину призвела до збільшення вирощуваної їжі, оскільки багаса (тростинник після гідролізної обробки) та сухі дріжджі використовуються для харчування тварин.

Нестача продовольства та збільшення цін у Бразилії були викликані комбінацією політичних та економічних причин – політикою збільшення експорту, гіперінфляцією, знеціненням грошей, політикою контролю цін на продукти місцевого виробництва тощо. У цих умовах будь-які можливі негативні впливи виробництва етанолу можуть розглядатися як частина загальних проблем, але не єдиною проблемою.

Важливо відзначити, що країни, що розвиваються, відчувають на собі як продовольчу, так і енергетичну проблеми. Тому адаптація сільськогосподарської практики повинна враховувати цю обставину та розвивати ефективні методи використання наявної землі та інших ресурсів для задоволення як продовольчих, так і енергетичних потреб із використанням агролісової системи.

Доступність земель

Фундаментальною відмінністю біомаси від інших видів палив є потреба у землі для її вирощування. При цьому постає питання, як і ким ця земля використовуватиметься. Існує два базові підходи для визначення способу використання землі. В рамках "технократичного" підходу розглядаються потреби, потім ідентифікуються біологічні джерела, території для вирощування та можливий екологічний ефект. Такий підхід ігнорує багато місцевих та більшість віддалених впливів, що викликаються плантаціями біомаси, а також ігнорує думку місцевих фермерів, які знають місцеві умови.

У результаті багато проектів у минулому виявилися невдалими. В рамках "комплексного" підходу задається питання, яким чином потрібно використовувати землю для забезпечення сталого розвитку, і розглядається, яке поєднання методів і культур, що вирощуються, призведе до оптимального використання конкретної ділянки землі для задоволення потреб у їжі, паливі, кормі для худоби, соціальному розвитку тощо. Такий підхід потребує повного розуміння складних питань землекористування.

Слід зазначити, що продуктивність біомаси може бути збільшена, тому що в багатьох місцях сьогодні вона низька і становить менше 5 т/га на рік для деревних видів в умовах неефективного менеджменту. Підвищення ефективності є ключовим моментом як для формування конкурентоспроможних цін, так і для кращого використання придатних земель. Поліпшення може включати ідентифікацію швидкозростаючих видів, успішне розмноження та використання комбінацій культур, нові знання про вирощування рослин та біотехнології, які можуть призвести до збільшення продуктивності рослин у 5 - 10 разів у порівнянні з їх природним зростанням.

Сьогодні є можливим, у разі хорошого менеджменту, проведення досліджень та вирощування відібраних видів рослин на придатних землях отримати від 10 до 15 т/га на рік у районах з помірним кліматом та від 15 до 25 т/га на рік у тропічних країнах. Рекордне значення 40 т/га на рік (суха вага) досягнуто при вирощуванні евкаліпту у Бразилії та Ефіопії. Високий вихід біомаси може бути досягнутий при вирощуванні трав, якщо є придатні агроекологічні умови.

Наприклад, у Бразилії середній вихід цукрової тростини зріс протягом 1975-2009 рр від 51 до 88 т/га (вага врожаю), тоді як у таких регіонах як Гаваї, Південна Африка та Квінсленд (Австралія) звичайним урожаєм у кінці 20 століття вважалося 100 т/га. Можливо досягти триразового збільшення продуктивності для різних видів вирощуваних культур, як це було зроблено для зернових протягом останніх 45 років 20 століття. Однак це потребуватиме інтенсивних аналогічних зусиль та розвитку інфраструктури. Окремим викликом є зміна клімату та зростання середньої світової температури на планеті, що вимагає впровадження нових підходів до вирощування для збереження та збільшення врожайності.

Енергетична цінність

При розгляді енергетичного потенціалу до біомаси відносять усі форми матеріалів рослинного походження, які можуть бути використані для одержання енергії: деревину, трав'яні та зернові культури, відходи лісового господарства та тваринництва тощо. Оскільки біомаса є твердим паливом, її можна порівнювати з вугіллям. Теплотворна здатність сухої біомаси становить близько 14 МДж/кг. Аналогічне значення для кам'яного вугілля та лігніту становить 30 МДж/кг та 10-20 МДж/кг (див. таблицю далі).

У момент утворення (збирання врожаю) біомаса містить велику кількість води, від 8 до 20% у пшеничній соломі, 30 – 60% у деревині, до 75 – 90% у гною сільськогосподарських тварин та 95% у водному гіацинті. На противагу цьому, вологість кам'яного вугілля знаходиться в діапазоні від 2 до 12%. Тому щільність енергії в біомасі на етапі виникнення нижче, ніж у кам'яного вугілля. З іншого боку, біомаса має переваги з погляду хімічного складу. Зольність біомаси значно нижча, ніж вугілля. Крім того, в золі біомаси зазвичай не міститься важких металів та інших забруднювачів, тому вона може вноситися в грунт як добрива.

Зазвичай біомасу помилково зараховують до низькосортних видів палива, тому в багатьох країнах її використання навіть не відображається у статистичних звітах. Однак вона забезпечує велику гнучкість постачання енергоносіями через велику кількість видів палива, які можуть бути з неї отримані. Енергія біомаси може використовуватися для виробництва теплової та електричної енергії за допомогою спалювання в сучасних пристроях – від мініатюрних домашніх котлів до багатомегаватних електростанцій, що використовують газові турбіни.

Системи, що використовують біомасу в енергетичних цілях, забезпечують економічний розвиток без збільшення парникового ефекту, оскільки біомаса є нейтральною щодо викидів СО2 в атмосферу у разі, якщо її виробництво та використання здійснюється розумним чином. Біомаса має інші сприятливі екологічні характеристики (малу емісію сірки та оксидів азоту) і може допомогти у реабілітації деградованих земель. Зростає розуміння того, що використання біомаси у великих комерційних системах ґрунтується на стійких, акумульованих ресурсах та відходах і може покращити управління природними ресурсами загалом.

Енероємність палив - порівняльна таблиця

Переваги біомаси як джерела енергії

Економічний розвиток сільськогосподарських районів як у розвинених, так і країнах, що розвиваються, є однією з переваг використання біомаси. Збільшення доходів фермерів та диверсифікація ринку, зменшення аграрного надвиробництва та додаткові грошові надходження, збільшення конкурентоспроможності на міжнародному ринку, загальне пожвавлення економіки в сільських районах, зменшення негативного впливу на навколишнє середовище – все це є важливими факторами використання біомаси як джерела енергії.

Нові фінансові надходження для фермерів та сільського населення покращать матеріальне становище сільських громад та призводитимуть до подальшої активізації місцевої економіки. Зрештою, це означає уповільнення темпів міграції до міст, що дуже важливо для багатьох регіонів у світі.

Збільшення робочих місць (для виробництва, вирощування та використання біомаси) та промислове зростання (розвиток підприємств для виробництва рідких палив, інші види промисловості, енергетика) можуть бути величезними. Наприклад, департамент сільського господарства США оцінив, що 17 тисяч робочих місць створюється для виробництва кожного мільйона галонів етанолу.

У свою чергу, дослідний інститут електричної енергії оцінив, що виробництво 5 квадрильйонів БТЕ (Британська теплова одиниця) електроенергії на площі 50 мільйонів акрів збільшить доходи фермерів на 12 мільярдів доларів США щорічно (США споживає щорічно 90 квадрильйонів БТЕ). Забезпечення фермерів стабільним доходом створює новий ринок та посилює місцеву економіку, створюючи циркуляцію коштів у місцевих спільнотах.

Поліпшення використання аграрних ресурсів часто пропонується в ЄС. Розвиток альтернативних ринків сільськогосподарської продукції може призвести до більш продуктивного використання орних земель, які наразі недостатньо використовуються в багатьох країнах ЄС. У 2001 році 128 мільйонів гектарів земель в ЄС використовувалося для вирощування продовольчих культур.

Приблизно 0.8 млн га було виведено з використання у рамках програми скорочення виробництва. Значно більша кількість землі планується вивести з виробництва у майбутньому. Зрозуміло, що переорієнтація частини цих земель для непродуктової утилізації (наприклад, біомаса для виробництва енергії) допомогла б уникнути нераціонального використання аграрних ресурсів.

Європейське сільське господарство засноване на виробництві обмеженої кількості культур, які переважно використовуються як їжа для людей і тварин, і багато з цих культур виробляються з надлишком. Падіння цін призвело до зниження та нестабільності доходів європейських фермерів. Вирощування енергетичних культур може зменшити перевиробництво. Такі культури можуть бути конкурентоспроможними щодо вирощування надлишкових харчових сортів рослин.

Екологічні переваги

Використання енергії біомаси має багато унікальних якостей, які забезпечують його екологічні переваги. Воно може сприяти пом'якшенню проблеми зміни клімату, зменшити кількість кислотних дощів, ерозію ґрунту, забруднення водойм та навантаження на полігони ТПВ, забезпечити середовище для існування диких видів тварин та допомогти підтримувати здорові умови існування лісів за допомогою кращого менеджменту.

Зміна клімату

Зміна клімату викликає зростаючу стурбованість у світі. Людська діяльність, особливо спалювання викопних видів палива, призводить до викиду сотень мільйонів тонн так званих парникових газів (ПГ) в атмосферу. ПГ включають, наприклад, такі гази, як двоокис вуглецю (CO2) та метан (CH4). Занепокоєння пов'язане з тим, що ПГ в атмосфері змінюють клімат Землі, що призводить до зміни біосфери, що забезпечує життя Землі.

Технології енергетичного використання біомаси можуть мінімізувати цей ефект. І двоокис вуглецю, і метан являють собою велику загрозу, проте CH4 в 20 разів більш впливовий з точки зору парникового ефекту, ніж CO2 (хоча і має менший термін життя в атмосфері). Збір метану, що виділяється на полігонах ТПВ, на станціях очищення стічних вод, у сховищах гнійних стоків зменшує викиди метану в атмосферу і дозволяє використовувати його енергію для виробництва електроенергії або в двигунах транспортних засобів як паливо.

Всі рослини, включаючи і спеціально вирощувані на енергетичних плантаціях, накопичують вуглець у процесі зростання, зменшуючи кількість вуглецю в атмосфері. Іншими словами, двоокис вуглецю, що виділяється в процесі спалювання біомаси, поглинається в процесі подальшого росту рослин, реалізуючи так званий замкнутий вуглецевий цикл. Насправді, кількість зв'язаного вуглецю може бути більшою, що виділяється при спалюванні, тому що більшість рослин є багаторічними. У процесі заготівлі вони зрізаються, а не викорчовуються. Коріння при цьому залишається в землі, стабілізуючи ґрунт, поглинаючи вуглець та регенеруючи (створюючи нові пагони рослини) у процесі наступних сезонів.

Кислотні дощі

Кислотні дощі викликаються переважно потраплянням в атмосферу фосфору та оксидів азоту у процесі спалювання палива. Кислотні дощі негативно впливають на людину та дику природу, зокрема, озера дуже чутливі до них. Оскільки біомаса не містить фосфору, її спалювання не призводить до утворення кислотних дощів. Більше того, біомаса може бути легко змішана з вугіллям, що дає змогу використовувати "спільне спалювання". Під спільним спалюванням тут розуміється використання біомаси разом із вугіллям у традиційних вугільних котлах теплових електростанцій чи опалювальних котелень. Це дуже простий спосіб зменшення емісії фосфору та, як наслідок, зменшення кількості кислотних дощів.

Ерозія ґрунту та забруднення ґрунтових вод

Рослини можуть зменшувати забруднення ґрунтових вод різними способами. Енергетичні плантації можуть розташовуватися на непридатних землях, територіях, що затоплюються, а також місцях, що розділяють посівні площі (полезахисні лісосмуги). У всіх випадках енергетичні культури стабілізують ґрунт, зменшуючи ерозію. Вони також зменшують втрати поживних речовин, що оберігає водні системи. Наявність рослин може створювати умови життя водних жителів, наприклад, різних видів риб.

Оскільки зазвичай енергетичні культури є багаторічними і не садяться щороку, машини рідше відвідують поля, зменшуючи ущільнення ґрунту та порушення його структури. Іншим варіантом зменшення забруднення води при використанні біомаси є збір метану при анаеробному зброджуванні в лагунах з гною стоками з ферм великої рогатої худоби та птиці. Ці величезні лагуни є відповідальними за забруднення численних річок. Використання анаеробного зброджування дозволяє фермерам зменшувати неприємний запах, використовувати зібраний метан для виробництва енергії та отримувати рідкі або напівсухі добрива, які можуть використовуватись на місці або продаватися.

3. Паливо з біомаси

Найпоширенішими джерелами біомаси є рослини. Вони використовувалися у вигляді деревини, торфу чи соломи протягом тисячоліть. Сьогодні західний світ не так, як раніше дивиться на цей високоенергетичний вид палива. Це сталося через поширену думку, що використання вугілля, нафти та електрики чистіше, ефективніше і більш відповідає високому рівню технології. Однак це враження не зовсім вірне. Рослини можуть спеціально вирощуватися для енергетичних цілей або можуть бути вилучені з довкілля. На плантаціях зазвичай використовуються ті види, які виробляють велику кількість біомаси за короткий час. Це можуть бути деревні види (як верба або евкаліпт) або інші рослини, що швидко ростуть (наприклад, цукрова тростина, кукурудза або соя).

Деревні відходи

Деревина видобувається на постійній основі: у лісах у процесі вирубування. Оцінити щорічний приріст лісів Землі досить складно. За однією з приблизних оцінок він становить 12,5x109 м³/рік із вмістом енергії 182 ЕДж. Це відповідає 1,3 від загального споживання на планеті. Середньорічний видобуток деревини в період 1985-1987р. становив 12,5x109 м³/рік (еквівалент 40 ЕДж/рік). Таким чином, частина приросту може бути додатково використана в енергетичних цілях у процесі догляду за лісами і, можливо, навіть збільшення при цьому їх продуктивності.

У процесі проріджування лісових плантацій створюється велика кількість деревних відходів (порубкових решток). Сьогодні вони часто залишаються гнити на місці. Це відбувається навіть у країнах, де відчувається брак палива. Деревні відходи можуть бути зібрані, висушені та використані як паливо приватними та місцевими промисловими споживачами, проте великий обсяг та вологість роблять їх транспортування економічно недоцільним. У країнах, що розвиваються, широко використовують деревне вугілля як паливо (утворюється при піролізі деревини без доступу кисню в спеціальних печах); виробництво деревного вугілля в печах на місці утворення відходів може зменшити витрати на транспортування.

Механічні рубальні машини для виробництва тріски (30-40 мм) були створені в Європі та Північній Америці протягом останніх 15 років. Така тріска може бути легко висушена та використана у спеціалізованих котлах. Використання порубкових рештків для опалення та/або виробництва електроенергії є зростаючим бізнесом у багатьох країнах. Американські енергопостачальні компанії мають понад 9000 МВт потужностей, що працюють із використанням біомаси (еквівалент 9 атомних блоків). Більшість установок збудовано за останні 10 років. В Австрії загальна потужність домашніх котлів та котлів централізованого теплопостачання (ЦТ), що спалюють деревні відходи, кору та тріску, досягає 1250 МВт. Потужність більшості котлів ЦТ знаходиться в діапазоні 1-2 МВт. Є кілька установок більшої потужності (15 МВт) та велика кількість малих когенераційних установок.

Наступним джерелом деревних відходів є обробка ділової деревини. Суха тирса та інші відходи, що виникають у процесі розпилювання, є якісним паливом. За існуючими оцінками, британська меблева промисловість постачає 35000 тонн таких відходів на рік (третина від загальної кількості), забезпечуючи 0,5 ПДж енергії для опалення та гарячого водопостачання, а також для отримання пари. У Швеції, де біомаса вже сьогодні забезпечує близько 15% первинної енергії, відходи лісової та деревообробної промисловості дають 200 ПДж на рік, переважно як паливо для ТЕЦ.

Відходи сільського господарства

Сільськогосподарські відходи є величезним джерелом біомаси. Відходи рослинництва та тваринництва забезпечують значну кількість енергії, що поступається лише деревині, яка є головним видом палива із біомаси на Землі. Сільськогосподарські відходи включають: відходи рослинних культур, наприклад, солому, некондиційну продукцію та надлишки виробництва, а також відходи тваринництва у вигляді гною. В Індії в 1985 році як паливо було використано 110 млн тонн гною та рослинних залишків, що близько до обсягу використання деревини - 133 млн тонн. У Китаї кількість сільськогосподарських відходів у 2,2 рази перевищує кількість палива.

Щороку у світі утворюються мільйони тонн соломи. Більше половини цієї кількості не використовується. У багатьох країнах вона спалюється на полях або заорюється у землю. У деяких розвинених країнах екологічне законодавство забороняє спалювання соломи на полях. Це привернуло увагу до соломи як потенційного джерела енергії.

Енергетичне використання рослинних залишків викликає питання, яка кількість може бути використана без негативного впливу на врожай. Відповідно до досвіду розвинених країн близько 35% рослинних залишків може бути видалено без впливу на майбутній урожай.

Промислові відходи, що містять біомасу, також можуть бути використані для виробництва енергії. Наприклад, із відходів виробництва спирту (відомих як барда) можна отримати горючий газ. Інші корисні види відходів включають відходи харчової та текстильної промисловості.

Швидкорослі рослини

Біомаса може спеціально вирощуватися на енергетичних плантаціях у вигляді дерев або інших видів рослин, наприклад, трави (сорго, цукрова тростина, міскантус). Всі ці види рослин можуть бути використані як паливо. Основною перевагою є короткий період вирощування - зазвичай від трьох до восьми років. Для деяких видів трав урожай може збиратися кожні 6-12 місяців. У світі існує близько 100 мільйонів гектарів землі, яка використовується для плантацій деревних культур.

Важливими параметрами при виборі видів рослин для вирощування на енергетичних плантаціях є наявність виду на місцевому ринку, простота розведення, стійкість розвитку в несприятливих умовах і продуктивність, виражена у виробництві сухої біомаси на гектар на рік (т/га/рік). Продуктивність є параметром, що визначає здатність рослини використовувати місцеві ресурси. Це найбільш важливий фактор при розгляді питання про виробництво біомаси з метою оптимізувати її виробництво на певній території у певний період з найменшими витратами. Тому високопродуктивні види біомаси є кращими для виробництва енергії.

Деякі види рослин демонструють високу продуктивність порівняно з іншими під час вирощування в однакових умовах. Незважаючи на те, що продуктивність різних деревних порід залежить від типу ґрунту та клімату, деякі породи дерев явно виділяються на загальному тлі. Наприклад, деякі сорти евкаліпту мають продуктивність 65 т/га/рік сухої біомаси, види Salix та Populus показують відповідно 30 та 43 т/га/рік.

Використання палива з біомаси в країнах, що розвиваються

Незважаючи на широке застосування біомаси в країнах, що розвиваються, зазвичай воно неефективне. Загальна ефективність традиційного використання біомаси становить лише 5-15%. Крім того, біомаса менш зручна для використання, ніж викопне паливо. У деяких випадках її використання може бути небезпечним для здоров'я, наприклад, при використанні біомаси для приготування їжі в приміщеннях, що погано провітрюються.

При цьому можуть утворюватися тверді частинки, CO, NОx, формальдегіди та інші органічні речовини, концентрація яких може перевищити рівень, рекомендований ВООЗ (Всесвітня Організація Охорони Здоров'я). Більше того, традиційне використання біомаси (зазвичай спалювання деревини) часто асоціюється з дефіцитом деревини, що вирощується, виснаженням запасів поживних речовин, проблемами зменшення площі лісів і розширення пустель. На початку 80-х років майже 1.3 мільярди жителів Землі забезпечували свої потреби у паливі за рахунок зменшення запасів деревини.

Частка біомаси у загальному споживанні енергії:

• Непал – 94%
• Малаві - 94%
• Кенія – 95%
• Індія – 50%
• Китай – 33%
• Бразилія – 25%
• Єгипет – 20%

Існує величезний потенціал біомаси, який може бути задіяний у разі покращення використання існуючих ресурсів та збільшення продуктивності рослин. Біоенергетика може бути модернізована шляхом використання сучасних технологій для перетворення вихідної біомаси на сучасні та зручні для використання види енергоносіїв (такі, як електроенергія, рідкі та газоподібні палива та підготовлене тверде паливо).

В результаті значно більша кількість енергії, ніж сьогодні, могла б бути вилучена з біомаси. Це могло б принести суттєву соціальну та економічну користь як сільському, так і міському населенню. Нині обмеження доступу до зручних ресурсів обмежує якість життя мільйонів людей у світі, зокрема, в сільських районах країн, що розвиваються. Вирощування біомаси є сільським процесом, що вимагає великих людських ресурсів. У разі його розвитку можуть бути створені численні робочі місця у сільськогосподарських районах та обмежена міграція сільського населення до міст. У той же час, вирощування біомаси може забезпечити промисловість, що розвивається в сільських районах, зручним енергоносієм.

Деревина

Під деревним паливом розуміють усі види палива, отримані у лісовому господарстві. Деревне паливо становить 10% палива, що використовується у світі. В Азії та Латинській Америці його частка становить 20%, в Африці – 50%. При цьому деревина є головним джерелом енергії, особливо в побутових цілях, у багатьох бідних країнах. У 22 країнах деревне паливо забезпечує від 25 до 49% споживання енергії, у 17 країнах – 50-74% та у 26 країнах – 75-100%.

Більше половини деревини, що отримується у світі, використовується як паливо. У деяких країнах, наприклад, у Танзанії, ця частка може бути значно більшою (97%). Незважаючи на те, що деревне паливо є головним джерелом енергії в сільських районах і для людей з низьким рівнем доходів у світі, що розвивається, його кількість швидко зменшується, призводячи до дефіциту та екологічної деградації. За існуючими оцінками, третина населення Землі зазнає щоденних труднощів щодо забезпечення паливом для побутових потреб.

Кілька проведених досліджень постачання деревного паливом у країнах, що розвиваються, підтвердили, що його нестача є реальністю сьогодні і збережеться в майбутньому, навіть за додаткових зусиль з управління ресурсами. Тому збільшення виробництва деревини шляхом впровадження ефективних технологій є необхідною умовою сталого розвитку в країнах, що розвиваються.

Деревне вугілля

Збільшення використання деревного вугілля в Європі пов'язане з промисловою революцією в Англії у 17 – 18 століттях. У Швеції споживання деревного вугілля зросло протягом 19 століття у зв'язку з виробництвом металу, зокрема, високоякісної сталі. Сьогодні деревне вугілля залишається важливим видом побутового і, меншою мірою, промислового палива в багатьох країнах, що розвиваються. Воно переважно використовується в містах, де простота зберігання, висока теплотворна здатність (30 МДж/кг порівняно з 15 МДж/кг для деревини), менша кількість димових викидів та стійкість до комах роблять його привабливішим, ніж деревне паливо. У великих містах Танзанії частка деревного вугілля становить 90% загального енергоспоживання.

Відходи

Потенціал утворення лісових та сільськогосподарських відходів величезний - близько 2 мільярдів т/рік у всьому світі. Сьогодні цей потенціал недостатньо використовується у багатьох регіонах світу. У районах з нестачею лісу, таких як Бангладеш, Китай, північних рівнинах Індії та Пакистані до 90% побутових потреб в енергії покривається у сільській місцевості за рахунок сільськогосподарських відходів. За оцінками близько 800 мільйонів жителів Землі використовують с/г відходи і гній для приготування їжі, хоча точні підрахунки зробити важко. На противагу поширеній думці, використання гною як джерелf енергії не обмежене лише країнами, що розвиваються. Наприклад, у Каліфорнії комерційні біогазові установки генерують близько 17.5 МВт електроенергії, використовуючи гній великої рогатої худоби. Багато біогазових установок є в Європі.

Кількість енергії, яку теоретично можливо отримати з відновлюваних відходів, становить 54 ЕДж у країнах, що розвиваються, і 42 ЕДж у розвинених регіонах. Відновлювані відходи включають три основні компоненти: ліс, продукти рослинництва та гній. У розрахунках передбачається, що лише 25% відходів використовують корисно. Країни, що розвиваються, теоретично можуть покрити 15% потреб в енергії за рахунок відходів, промислові країни - 4%.

Відходи цукрової тростини (жом, листя) є важливим і часто величезним потенціалом для виробництва електроенергії, який поки що використовується недостатньо ефективно.

Залежно від типу газової турбіни та частки використання стебел та листя тростини у міжсезоння, кількість електроенергії, що виробляється з цукрової тростини, за деякими оцінками може в 44 рази перевищувати власне її споживання цукровим або спиртовим заводом. На кожен літр спирту газова турбіна може виробити понад 11 кВт·год електроенергії понад власне споживання заводу (близько 820 кВт·год/т). За іншими оцінками, використання жому для конденсаційних турбін дає додатково 20-65 кВт·год електроенергії на тонну тростини.

Ця кількість може бути подвоєна за допомогою використання barbojo (верхівки і листя тростини) у міжсезоння. Собівартість виробленої електроенергії оцінюється в 0,05 $/кВт·год. Доходи від продажу електроенергії, виробленої паралельно з отриманням цукру, можна порівняти з доходами від продажу цукру, а у разі одночасного виробництва спирту та електроенергії доходи від продажу електроенергії перевищують доходи від реалізації спирту. В останньому випадку електроенергія буде вважатися основним продуктом, а спирт - побічним.

Тільки в Індії Виробництво електроенергії з відходів цукрової тростини у 2030 році може досягти 550 ТВт·год/рік (загальне виробництво електроенергії з усіх джерел у країні в 1987 році було менше 220 ТВт·год). У глобальному масштабі близько 50 ГВт встановленої потужності можуть бути забезпечені за допомогою відходів. Теоретичний потенціал відходів у 80 країнах, що розвиваються, які виробляють цукор із цукрової тростини, досягає 2800 ТВт·год/рік, що на 70% перевищує загальне виробництво електроенергії в цих країнах у 1987 році. Вивчення загального потенціалу цукрової промисловості дає цифру 500 ТВтгод/рік. Припускаючи, що третина відходів може бути використана для виробництва електроенергії за допомогою впровадження нових технологій, 10% сучасної світової потреби в електроенергії може бути забезпечене за рахунок цього джерела.

Очевидним є той факт, що для досягнення таких цілей небхідні теоретичні розрахунки із врахуванням реалій країни та місця. Однак вони наголошують на потенціалі багатьох країн для забезпечення значної частки своїх енергетичних потреб за рахунок біомаси, вирощеної з урахуванням питань сталості.

4. Методи отримання енергії з біомаси

Практично всі види "сирої" біомаси досить швидко розкладаються, тому лише деякі придатні для довготривалого зберігання. Через відносно низьку енергетичну щільність транспортування біомаси на великі відстані недоцільне. Тому останніми роками було вжито значних зусиль, спрямованих на пошук найкращих способів використання цих потенційно цінних джерел енергії.

Методи отримання енергії з біомаси ґрунтуються на таких процесах:

• Пряме спалювання біомаси.
• Термохімічне перетворення для отримання збагаченого палива. Процеси цієї категорії включають піроліз, газифікацію та зрідження.
• Біологічне перетворення. Такі природні процеси, як анаеробне зброджування та ферментація, призводять до утворення корисного газоподібного або рідкого палива.

У деяких із перерахованих процесів побічним продуктом є тепло. Воно зазвичай використовується на місці утворення або на невеликому віддаленні для теплопостачання, у хімічних процесах або для виробництва пари та подальшого отримання електроенергії. Основним продуктом процесів є тверде, рідке або газоподібне паливо: деревне вугілля, рідке паливо, наприклад етанол, як замінник або добавка до бензину, газ для продажу або виробництва електроенергії з використанням парових або газових турбін.

Спалювання

Технологія прямого спалювання є найбільш очевидним способом вилучення енергії з біомаси. Вона проста, добре вивчена та комерційно доступна. Існує безліч типів та розмірів систем прямого спалювання, в яких можна спалювати різні види палива: пташиний послід, тюки соломи, дрова, муніципальні відходи та автомобільні шини. Тепло, що отримується при спалюванні біомаси, може використовуватися для опалення та гарячого водопостачання, для виробництва електроенергії та в промислових процесах. Однією із проблем, пов'язаних із безпосереднім спалюванням, є його низька ефективність. У разі використання відкритого полум'я більша частина тепла втрачається.

Спалення деревини може бути розбите на 4 фази:

• Кипіння води, що міститься у деревині. Навіть деревина, висушена протягом кількох років, містить від 15 до 20% води у клітинній структурі.
• Виділення газової (летючої) складової. Дуже важливо, щоб ці гази згоряли, а не вилітали в трубу.
• Виділені гази змішуються з атмосферним повітрям і згоряють під впливом високої температури.
• Згоряння залишків деревини (переважно вуглець). При ідеальному згорянні енергія використовується повністю. Єдиним залишком є невелика кількість золи.

Для ефективного спалювання необхідні три умови:

• Досить висока температура.
• Достатня кількість повітря.
• Достатній час для повного згоряння.

Якщо кількості повітря, що надходить, недостатньо, згоряння відбувається не повністю. При цьому утворюється чорний дим, що складається з вуглецю, що не згорів. Пахне жахливо, і в димоході накопичується сажа, що може призвести до пожежі. Якщо кількість повітря надходить занадто велика, то температура в зоні горіння знижується і гази залишають її незгорілими, несучи тепло. Правильна кількість повітря призводить до оптимального використання палива. При цьому не утворюються запах і дим, і мінімальний ризик пожежі в димоході. Регулювання подачі повітря багато в чому залежить від димоходу і тяги, яку він може забезпечити.

Пряме спалювання є найпростішим і найпоширенішим методом отримання енергії, що міститься в біомасі. Кип'ятіння води в каструлі над палаючими дровами є найпростішим процесом. На жаль, він також є малоефективним, як показують найпростіші обчислення.

Один кубічний метр сухої деревини містить 10 ГДж енергії (десять мільйонів кДж). Для нагрівання 1 літра води на 1 градус потрібно 4,2 кДж теплової енергії. Для того, щоб довести до кипіння літр води, потрібно менше 400 кДж, що містяться в 40 сантиметрах кубічних деревини - тобто невелика дерев'яна паличка. На практиці на відкритому вогні потрібно принаймні в 50 разів більше деревини. Ефективність перетворення не перевищує 2%.

Розробка пічок або котлів, здатних ефективно використовувати енергію палива, потребує розуміння процесів згоряння твердого палива. Першим процесом, що споживає енергію, є випаровування води, що міститься в деревині. Для відносно сухого палива на випаровування використовується лише кілька відсотків від загальної кількості енергії, що виділяється. У самому процесі згоряння завжди є дві стадії, тому що будь-яке тверде паливо містить дві складові, що спалюються. Летючі компоненти виділяються з палива при підвищенні температури у вигляді суміші парів та смол і масел, що випарувалися. При спалюванні цих продуктів утворюються невеликі піролізні струмені.

Сучасні пристрої для спалювання (котли) зазвичай виробляють тепло, пар, що використовується в промислових процесах, або електроенергію. Будова систем прямого спалювання варіюється в залежності від варіанта використання. Вибір палива також впливає на дизайн та ефективність систем спалювання. Системи прямого спалювання біомаси подібні до аналогічних пристроїв, що спалюють вугілля. На практиці біомаса може спалюватися разом із вугіллям у невеликій пропорції в існуючих вугільних котлах.

Біомаса, що спалюється спільно з вугіллям, є дешевою сировиною, наприклад відходи лісового або сільського господарства. Це допомагає зменшити викиди в атмосферу, які зазвичай пов'язані з використанням вугілля. Вугілля є скам'янілою протягом мільйонів років біомасою. У процесі нагрівання та стиснення в глибинах земної кори вугілля накопичує такі хімічні елементи, як фосфор та ртуть. У процесі спалювання вугілля для теплової або електричної енергії ці елементи вивільняються і потрапляють в атмосферу. У "сирій" біомасі ці елементи відсутні.

Піроліз

Піроліз є найпростішим і, мабуть, найстарішим способом перетворення одного виду палива в інший з кращими показниками. Різні види високоенергетичного палива можуть бути отримані за допомогою нагрівання сухої деревини та навіть соломи. Процес використовувався протягом століть для виробництва деревного вугілля. Традиційний піроліз полягає у нагріванні вихідного матеріалу (який часто перетворюється на порошок або подрібнюється перед приміщенням в реактор) в умовах майже повної відсутності повітря, зазвичай до температури 300 - 500 °C до повного видалення леткої фракції.

Залишок, відомий під назвою деревне вугілля, має подвійну енергетичну щільність у порівнянні з вихідним матеріалом і згоряє при значно вищих температурах. Протягом багатьох століть, і в більшості країн світу все ще сьогодні, деревне вугілля виробляється шляхом піролізу деревини. Залежно від вмісту вологи та ефективності процесу, для виробництва 1 тонни деревного вугілля потрібно 4-10 тонн деревини. Якщо леткі речовини не збираються, деревне вугілля містить дві третини енергії вихідної сировини.

Піроліз може проводитися в присутності малої кількості кисню (газифікація), води (парова газифікація) та водню (гідрогенізація). Одним із найбільш корисних продуктів у цьому випадку є метан, що є паливом для виробництва електроенергії за допомогою високоефективних газових турбін.

Складніша техніка піролізу дозволяє зібрати леткі речовини. Крім того, контроль температури дозволяє контролювати їхній склад. Рідкі продукти можуть використовуватися як рідке паливо. Однак вони містять кислоти та повинні очищатися перед використанням. Швидкий піроліз рослинних матеріалів, наприклад, деревини або шкаралупи горіхів, при температурах 800-900 °C призводить до утворення 10% твердого деревного вугілля і перетворює 60% вихідної сировини в газ, що містить велику кількість водню та монооксиду вуглецю. Цей метод може скласти конкуренцію традиційному піролізу, проте для широкого комерційного використання його необхідно відпрацювати.

На даний час традиційний піроліз вважається найбільш привабливим видом технології. Використання відносно низьких температур означає, що в атмосферу викидається менше потенційних забруднювачів, якщо порівнювати зі спалюванням. Ця обставина дає екологічну перевагу піролізу під час переробки деяких видів відходів. Робляться спроби використання малих піролізних установок для переробки відходів виробництва пластику, а також використаних автомобільних шин. Зберігання чи захоронення цих матеріалів викликає зростаючу стурбованість у світі.

Газифікація

Основні принципи газифікації досліджувалися та розроблялися з початку дев'ятнадцятого століття. Під час Другої світової війни близько мільйона автомобілів рухалися за допомогою газифікаторів на біомасі. Інтерес до газифікації знову зріс під час енергетичної кризи 70-х років, а потім упав разом із зниженням нафтових цін у 80-х роках. За оцінками Світового Банку (1989) лише 1000-3000 газифікаторів встановлено у світі, переважно в Південній Америці для виробництва деревного вугілля.

У процесі газифікації деревини утворюється горючий газ, що є сумішшю водню, чадного газу (монооксиду вуглецю), метану і деяких негорючих супутніх компонентів. Це досягається частковим спалюванням та частковим нагріванням біомаси (з використанням тепла обмеженого горіння) у присутності деревного вугілля (природного продукту спалювання біомаси). Газ може використовуватись замість бензину. У цьому потужність автомобільного двигуна знижується на 40%. Можливо, у майбутньому цей вид палива стане основним джерелом енергії для електростанцій.

Синтетичні палива

У газифікаторах, які використовують кисень замість повітря, можна отримувати газ, що складається переважно з H2, CO та CO2. Цікава та обставина, що після видалення СО₂ можна отримати так званий синтез-газ, з якого у свою чергу можна синтезувати практично будь-яку вуглеводневу сировину. Зокрема, при взаємодії Н₂ та СО виходить чистий метан. Іншим можливим продуктом є метанол - рідкий вуглеводень із теплотворною здатністю 23 ГДж/т.

Виробництво метанолу вимагає організації складного хімічного процесу з високими температурами та тиском та дорогого обладнання. Незважаючи на це, інтерес до виробництва метанолу пояснюється тим, що він є цінним продуктом - рідке паливо, здатне безпосередньо замінити бензин. В даний час виробництво метанолу з використанням синтез-газу не є комерційним. Однак технологія існує для використання вугілля як сировина. Вона була розвинена країнами, які мають великий вугільний потенціал, у періоди перебоїв із постачанням нафти.

Ферментація

Ферментація цукрового розчину є процесом, у якому виробляється етанол (етиловий спирт). Етанол є рідким високоенергетичним паливом, яке може використовуватися замість бензину в автомобілях. Цей вид палива успішно використовується у Бразилії. Придатною сировиною для виробництва етанолу є цукрові буряки або фрукти. Сахароза може бути отримана з овочевого крохмалю та целюлози в процесі пульпування та варіння, а також з целюлози після подрібнення та обробки гарячими кислотами. Після ферментації протягом 30 годин розчин містить 6-10% спирту, який може бути виділений у процесі дистиляції.

Ферментація є анаеробним біологічним процесом, у якому цукор перетворюється на спирт під впливом мікроорганізмів (зазвичай дріжжів). Звичайним продуктом є етанол (C₂H₅OH), а не метанол (CH₃OH). Він може використовуватися в двигунах внутрішнього згоряння: або безпосередньо у спеціально модифікованих двигунах, або як добавка до бензину. При цьому виходить так званий газохол - бензин, що містить до 20% етанолу.

Цінність конкретного виду біомаси як сировина для ферментації залежить від його здатності утворювати цукор. Найкраще з відомих джерел етанолу - цукрова тростина або меляса, що залишається після виділення тростинного соку. Інші культури, що містять вуглеводні у вигляді крохмалю (картопля, кукурудза та інші зернові) вимагають додаткової обробки для отримання цукру з крохмалю. Цей процес реалізується під час виробництва деяких алкогольних напоїв за допомогою ферментів, що містяться в солоді. Навіть деревина може бути сировиною. Однак вуглеводні (целюлоза), що містяться в ній, важко розкладаються до цукрів під впливом кислоти і ферментів, викликаючи складності при практичній реалізації процесу.

Рідина, що утворюється в процесі ферментації, містить близько 10% етанолу, який потрібно виділити за допомогою дистиляції для подальшого використання. Енергетичний вміст кінцевого продукту близько 30 ГДж/т або 24 ГДж/м3. Процес вимагає великої кількості тепла, яке зазвичай виходить з рослинних відходів (наприклад, жома цукрової тростини або стебел та качанів кукурудзи). Втрати енергії в процесі ферментації значні, проте цей недолік компенсується зручністю використання та транспортування рідкого палива, відносно низькою ціною та доступністю технології.

Анаеробне зброджування

Природа володіє засобом руйнування та видалення відходів, а також мертвих рослин та тварин. Роботу з руйнування виробляють бактерії. Гній та компост, що використовуються як добрива, також отримують у процесі розкладання органічних речовин. Якщо частини рослин і тварин, що відмирають, потрапляють у воду, то згодом на поверхні води можна помітити бульбашки, що піднімаються з дна. Газ, що міститься в бульбашках, здатний спалахувати. Цей загадковий феномен відомий людині багато століть. Секрет було розкрито вченими близько 200 років тому. Процес представляє собою розкладання органіки у відсутності повітря (кисню).

Газ, утворення якого зазвичай відзначалося на болотах, було названо і досі називається болотним газом. Цей газ, відомий також як біогаз, є сумішшю метану (CH₄) і двоокису вуглецю (CO₂). Вперше біогаз було досліджено та описано Алессандро Вольта (Alessandro Volta) у 1776 році. Хемфрі Деві (Humphery Davy) вперше на початку 1800 показав, що горючий газ метан міститься в гною. Надалі були розроблені біогазові технології, що дозволяють отримати біогаз із будь-яких біодеградуючих матеріалів (органічної речовини) у штучно створених умовах.

Анаеробне зброджування, як і піроліз, реалізується за відсутності повітря. Однак у цьому випадку розкладання відбувається під впливом бактерій, а не високих температур. Це процес, що відбувається практично у всіх біологічних матеріалах і прискорюється в теплих та вологих умовах (звісно, за відсутності повітря). Часто він має місце під час розкладання рослин на дні водойм.

Анаеробне зброджування також відбувається за умов, створюваних у процесі людської діяльності. Наприклад, біогаз утворюється у місцях концентрації стічних вод, гнійних стоків ферм, а також твердих побутових відходів на звалищах та полігонах. В обох випадках біогаз є сумішшю, що переважно складається з метану і двоокису вуглецю. Основні відмінності полягають у природі вихідного матеріалу, масштабах та темпі утворення біогазу, що призводять до вельми різних технологій для цих джерел.

Хімія процесу утворення біогазу є досить складною. Складна популяція бактерій розкладає органічні матеріали в цукор, а потім у різні кислоти, з яких у свою чергу виходить біогаз. При цьому залишається інертний залишок, склад якого залежить від типу установки та вихідної сировини.

Біогаз

Біогаз є цінним паливом. Для його виробництва у багатьох країнах будуються спеціальні метантенки, які наповнюються гноєм або стічними водами. Метантенки варіюються у розмірах від одного кубічного метра (в індивідуальних господарствах) до тисяч кубометрів, що використовуються у великих комерційних установках. Завантаження може бути постійним або порційним, а процес зброджування може тривати від десяти днів до декількох тижнів.

У процесі діяльності бактерій утворюється тепло, проте в умовах холодного клімату необхідне підведення додаткового тепла для підтримки оптимальної температури (принаймні 35 °C). Джерелом тепла може бути біогаз. У граничному випадку весь газ можна використовувати для нагрівання. Хоча в цьому випадку вихід енергії в процесі буде нульовим, все одно його існування буде виправдане економією палива, необхідного для переробки відходів. Хороші біогазові установки можуть виробляти 200-400 м³ біогазу із вмістом метану від 50 до 75% з кожної тонни сухої органічної речовини.

Біогазова установка – зовнішній вигляд Біогазова установка – вид зсередини Біогазова установка із вбудованим газгольдером Біогазова установка із зовнішнім газгольдером

Біогаз полігонів ТПВ (звалищний газ)

Більшість муніципальних відходів - твердих побутових відходів (ТПВ) - є біологічними матеріалами, вивезення яких на полігони створює придатні умови для анаеробного зброджування. Те, що полігони та звалища ТПВ генерують метан, відомо протягом десятиліть. Потенційна небезпека метану змушувала у деяких випадках будувати системи для примусового спалювання метану. Лише у 70-х роках 20 століття звернули серйозну увага на ідею використання цього "небажаного" продукту.

ТПВ мають складніший склад, ніж сировина в біогазових установках. Зброджування відбувається повільніше, зазвичай, протягом кількох років, а не тижнів. Кінцевий продукт, відомий під назвою "звалищний газ", також є сумішшю переважно CH₄ і CO₂. Теоретично вихід газу протягом "життя" полігону може становити 150-300 м³ на тонну ТПВ при концентрації метану від 50 до 60 об'ємних відсотків. Це відповідає 5-6 ГДж енергії на тонну ТПВ. На практиці вихід біогазу менший.

У процесі формування полігону кожна ділянка після заповнення покривається шаром непроникної глини або подібного матеріалу, створюючи умови для анаеробного зброджування. Газ збирається системою пов'язаних між собою перфорованих труб, встановлених у тілі полігону до глибини 20 метрів. На нових полігонах система труб встановлюється до надходження ТПВ. На великих полігонах може бути встановлено кілька кілометрів труб, за допомогою яких можна зібрати 1000 м³/годину звалищного газу та більше.

Дедалі більше звалищний газ використовується для виробництва електроенергії. В даний час більшість установок використовує двигуни внутрішнього згоряння, наприклад стандартні суднові двигуни. При типовому виході газу, що дорівнює 10 ГДж/год, можуть бути встановлені двигун та генератор потужністю 500 кВт.

5. Зразки технологій

Опалення будівель за допомогою біомаси

Для індивідуальних користувачів існує два основних способи використання біомаси для опалення будинку:

• використання печі для опалення окремої кімнати;
• котел, який буде підключатися до системи центрального опалення та гарячого водопостачання в будинку.

Окремі дров’яні печі зазвичай виробляють 6-12 кВт тепла і, як правило, можуть працювати як на дровах, так і на брикетах або пелетах (деревних гранулах). Також, на ринку є печі з автоматичною подачею, в якості палива для яких підходять тільки пелети. Зазвичай дров'яні печі розміщують у вітальні будинку, де вони можуть забезпечити додатковий обігрів. Хоча багато з них служать лише для обігріву однієї кімнати, типи більшої потужності також можна підключити до власного бойлера для забезпечення гарячою водою.

Котли, що спалюють дрова або пелети, є більшими системами, які забезпечують теплом весь будинок, і тому мають генерувати більше тепла, ніж печі. Типова система для будинку має потужність 15 кВт і більше. На ринку є багато різних систем. Котли, що працюють на дровах, потрібно заповнювати вручну, і для них знадобиться великий простір для зберігання дров. Котли з автоматичною подачею можуть використовувати або деревну тріску, або пелети – або іноді і те й інше – і постачаються із власною системою зберігання для палива.

Системи централізованого теплопостачання на біомасі

Система централізованого опалення на біомасі передбачає центральну котельну на біомасі, яка забезпечує теплом кілька громадських, комерційних і житлових будівель, розташованих навколо в районі опалювальної станції. Ці системи опалення мають багато переваг перед використанням індивідуальних котлів опалення в будинках. Найважливішими є ефективність і рівень автоматизації. Вищий ККД установок центрального опалення призводить до зниження споживання палива, потреби в робочій силі, а також викидів. З іншого боку, системи централізованого опалення можуть мати певні обмеження для розміщення нових споживачів, коли у них недостатня потужність (вихідна потужність, труби тощо).

Виробництво теплоти в деревноспалювальних котлах

Найчастіше при спалюванні біомаси використовується деревина. У розвинених країнах заміна вугільних або мазутних котлів централізованого теплопостачання на деревоспалювальні котли знижує витрати споживачів тепла на 20-60%, оскільки вартість деревини нижча за вартість вугілля та мазуту. У той же час, котли на деревині більш екологічні. У процесі роботи вони викидають в атмосферу ту саму кількість вуглекислого газу, яка була поглинена деревами в процесі зростання. Таким чином, спалювання деревини не робить внесок у глобальне потепління. Оскільки деревина містить менше сірки ніж мазут, менше сульфатів потрапляє в атмосферу. Це означає зменшення кількості кислотних дощів.

Малі котли

Малі котли на деревині часто використовуються для опалення будинків. У Данії працює близько 70 тисяч котлів, у яких спалюють дрова, тріску та гранули. Такі котли забезпечують тепло для радіаторів так само, як це роблять мазутні котли. Вони відрізняються від пічок, які забезпечують теплом лише найближче приміщення. Котел на деревині може забезпечувати теплом і гарячою водою всю будівлю. Для індивідуального (односімейного) будинку установка ручного деревоспалювального котла є найкращим рішенням. На більших об'єктах (ферми) економія за рахунок використання деревини настільки значна, що тут є сенс встановлювати автоматичні котли, що спалюють гранули.

Багато деревних котлів малого розміру завантажується дровами вручну. Зазвичай вони мають бункер для зберігання палива. Ручні котли для спалювання дров та автоматичні котли для тріски та деревних гранул різняться між собою. Ручні котли мають бак-акумулятор для накопичення енергії, отриманої при спалюванні палива. Автоматичні котли обладнані ємністю для подачі тріски або гранул. Шнековий конвеєр подає паливо відповідно до необхідного теплового навантаження будівлі.

За останні 10 років великий прогрес досягнуто в удосконаленні обох видів котлів з метою підвищення ефективності та зниження емісії (пил та монооксид вуглецю). Покращення торкнулися конструкції камери згоряння, подачі повітря та автоматизації контролю процесу згоряння. Для котлів з ручною подачею палива ефективність збільшилася від 50% до 75-90%. Ефективність автоматичних котлів зросла з 60% до 85-92%.

Котли з ручним керуванням

Існує правило, що ручні котли, що працюють на дровах, мають прийнятні параметри спалювання лише на повному навантаженні. Однак в окремих установках, які мають контроль вмісту кисню, навантаження може бути зменшене до 50% без зміни ефективності чи емісії. У таких котлах проводиться відбір проб та аналіз вмісту кисню в димових газах та автоматичне регулювання подачі повітря.

Аналогічні системи використовуються в автомобілях. Для того, щоб не доводилося завантажувати котли кожні 2-5 годин у холодні періоди року, номінальна потужність котлів вибирається в 2-3 рази більше за номінальну теплову потребу будівлі. Це означає, що для котлів з ручною подачею палива потрібний більший розмір. Котли, що використовують дрова, повинні мати ємність для зберігання палива. Це забезпечує комфорт для користувача, менші фінансові витрати та екологічний вплив. Крім того, у котлах без такої ємності часто спостерігаються посилена корозія, спричинена коливаннями температури води та димових газів.

Автоматизовані котли

Незважаючи на відносно просту конструкцію автоматичних котлів, у багатьох з них досягається ефективність 80-90% і рівень емісії близько 100 ppm (100 ppm = 0,01 об. %). У деяких котлах досягнуто параметрів 92% і 20 ppm. Важливою умовою досягнення таких хороших результатів є використання котла з повним навантаженням. Для автоматичних котлів важливо, щоб номінальне навантаження котла не перевищувало потреби в теплі в зимовий період.

У перехідний період (3-5 місяців) весни та осені теплове навантаження зазвичай знижується до 20-40% від номінального. Це призводить до погіршення експлуатаційних характеристик. Протягом літнього періоду потреба у тепловій енергії знижується до 1-3 кВт на гаряче водопостачання. Це не перевищує 5-10% від номінального навантаження котла. У разі експлуатації котла його ККД знижується на 20-30%, а шкідливий вплив на довкілля збільшується. Альтернативою літньої експлуатації котла може бути встановлення комбінованої системи з баком-акумулятором та сонячним колектором.

Котли з ручним керуванням

Принцип BURN-THROUGH (подача повітря крізь паливо)

Практично всі старі печі використовують цей принцип. Повітря надходить у них знизу і проходить вгору, долаючи масив палива. У таких печах паливо згоряє дуже швидко. Гази не згоряють повністю, тому що температура усередині низька. Більшість газів разом із енергією, що міститься в них, потрапляє в димохід. Димові гази не встигають передати теплову енергію у порівняно короткому димоході. Загалом ефективність таких печей зазвичай не перевищує 50%.

Котли з нижньою подачею повітря

Такі котли дуже відрізняються від описаних вище печей. Повітря, що надходить в них, проходить не через весь масив палива, а тільки через частину. При цьому горить лише нижній шар деревини. Інші шари висушуються і повільно газифікуються. Додавання повітря (так зване вторинне повітря) безпосередньо в полум'я дозволяє спалювати леткі компоненти більш ефективно. У камерах топки сучасних котлів з нижньою подачею повітря є керамічне футування, що зберігає тепло всередині камери. Це дозволяє підвищити температуру та ефективність спалювання. Типова ефективність таких котлів становить 65-75%.

Котли із зустрічною подачею повітря

У таких котлах повітря подається тільки до частини палива. Гази також утворюються повільно та згоряють більш ефективно. Вторинне повітря також подається у футуровану камеру згоряння, в якій підтримується висока температура. Димові гази повинні подолати велику відстань усередині котла, віддаючи при цьому теплову енергію. Ефективність таких котлів зазвичай знаходиться на рівні 75-85%. Деякі з них мають вентилятори для подачі повітря замість використання природної тяги. Спалювання в таких котлах відбувається краще, з меншим утворенням сажі. Проте їхня ефективність відрізняється незначною мірою.

Ефективність (КПД) котлів

Якість котла залежить від зв'язку між енергією, що міститься в паливі, та енергією, переданою в систему теплопостачання. Це відношення називається ефективність чи коефіцієнт корисної дії (ККД). Чим вище ефективність котла, тим більша частина енергії палива буде передана теплоносію (воді) в котлі. Хороші котли мають ефективність 80-90%.

Споживання деревини в котлах із зустрічною подачею зазвичай знаходиться в діапазоні від 4 кг/год для котла потужністю 18 кВт до 18 кг/год для котла потужністю 80 кВт. Для умов Центральної Європи середній односімейний будинок (150 м²) споживає 12 м³ деревини за опалювальний сезон. Типовий котел може спалювати куски деревини довжиною до 80 см. У таблиці внизу наведено додаткові дані про котли для умов Центральної Європи.

Теплотворна здатність деревини 15 МДж/кг.

Бак-акумулятор

Встановлення бака-акумулятора разом із деревоспалювальними котлами має сенс завжди. Додаткові витрати, пов'язані з придбанням та встановленням бака, окупаються досить швидко. Якість спалювання покращується. Незабаром після запалення палива процес горіння стабілізується і котел починає виробляти тепло. Без бака вода незабаром стане занадто гарячою, і регулююча заслінка повинна буде зменшити надходження повітря для того, щоб запобігти закипанню води. Зменшення кількості повітря призводить до підвищеного утворення диму та неповного згоряння.

За наявності бака процес горіння може тривати, при цьому тепло накопичується в баку. Вода в котлі не перегрівається. Заслінка відкрита, а процес горіння відбувається з максимальною ефективністю. Тепла вода надходить у радіатори безпосередньо з баку-акумулятора. Розміри бака залежать від кількості тепла, необхідного для будівлі та ефективності котла.

Спільне використання деревини та сонячної енергії для опалення

Якщо Ви вирішили встановити у себе котел, рекомендуємо Вам також подумати про використання сонячної енергії. Деревоспалювальний котел і сонячні панелі часто можуть використовувати спільний бак-акумулятор. При цьому знижується загальна вартість системи. Використання комбінованої системи дозволяє відмовитися від спалювання деревини влітку для отримання гарячої води. Крім того, "спалювати" сонячну енергію коштує дешевше, ніж енергію деревини!

Вибір палива

Який би вид палива Ви не використовували, воно має бути сухим. Вміст води у свіжоспиленому дереві досягає 50%, тому спалювати його одразу неекономічно. Частину енергії при спалюванні буде витрачено на випаровування води, відповідно кількість корисної енергії виявиться меншою. Тому перед спалюванням деревина має висушуватися. Найкраще, що можна зробити - почекати принаймні рік, а краще два. Найпростішим способом є зберігання деревини на відкритому повітрі під навісом або в сараї, що запобігає прямому попаданню дощу.

Не можна спалювати фарбовану або клеєну деревину, тому що в цьому випадку при згорянні утворюються токсичні гази. Не можна спалювати багато вощених пакувальних матеріалів, наприклад, картонні пакети для молока та подібні матеріали. Можна спалювати деревні брикети, які виходять за допомогою штампування тирси та стружки. Зазвичай вони мають від 10 до 20 сантиметрів у довжину та близько 5 сантиметрів у діаметрі. У процесі стиснення в брикетах зменшується вміст води, тому їх теплотворна здатність вища, ніж у звичайної деревини. В результаті для зберігання брикетів необхідний менший об'єм.

Димохід

Димохід формує тягу в котлі. Тяга утворюється через різницю щільностей повітря на вході котла та у верхній частині димоходу. Тому висота димоходу, температура димових газів та теплопровідність матеріалів впливають на величину тяги. Вигини та наявність горизонтальних ділянок зменшують тягу. Вони викликають опір, який має подолати гаряче повітря. Тому зазвичай кількість горизонтальних ділянок та згинів зводиться до мінімуму. Деякі котли мають вбудовані вентилятори, що забезпечують необхідну тягу на постійній основі.

Технічне обслуговування котлів

Котел повинен встановлюватись та обслуговуватися відповідним чином. У разі дотримання згаданих умов збільшується його період експлуатації та надійність. У більшості країн існують правила встановлення котлів. У деяких випадках котли повинні встановлюватись в окремих приміщеннях. Димохід (димар) повинен очищатися принаймні один раз на рік. Це зменшує ризик займання. Велика кількість сажі може зменшувати потік повітря в котлі та димарі.

Використання гранул і тріски в котлах з автоматичною подачею палива

Автоматичні котли підключаються до системи теплопостачання так само як мазутні або газові. Тепло від згоряння палива передається теплоносію - воді, яка після нагрівання надходить у радіатори, розташовані в приміщеннях будинку. Таким чином, котел опалює всі приміщення в будівлі, на відміну від печі, яка обігріває лише кімнату, де знаходиться. Гранули та тріска мають ідеальний розмір для використання в автоматизованих котлах, оскільки вони подаються в котел безпосередньо з бункера. Бункер необхідно заповнювати один-два рази на тиждень. У котлах з ручною подачею палива, які використовують, наприклад, дрова, останні необхідно завантажувати кілька разів на день. Однак такі котли зазвичай дешевші за автоматичні.

Деревні гранули (пелети)

Деревні гранули є відносно новим та привабливим видом палива. При спалюванні гранул утилізуються ресурси, які інакше опинилися б у складі сміття або потрапили б на звалища. Гранули зазвичай робляться з відходів (тирси і стружок) і використовуються в широких масштабах у системах централізованого теплопостачання. Вони виробляються пресуванням і мають 1-3 см завдовжки і близько 1 см у діаметрі. Вони чисті, мають гарний запах і приємні на дотик.

Гранули мають низьку вологість (менше 10%) та високу теплотворну здатність порівняно з іншими видами деревного палива. Після пресування зменшується об'єм, в результаті збільшується кількість енергії в одиниці об'єму (енергетична щільність). При спалюванні гранул процес має більшу ефективність і утворюється мала кількість залишку. У деяких країнах спалювання гранул звільнено від контролю складу димових газів.

Великий котел (2.5 МВт) для спалювання гранул та тріски, що використовується в системах централізованого теплопостачання

Існують різні види гранул. Деякі виробники використовують зв'язувальні речовини, щоб продовжити тривалість існування гранул. Інші виробники не використовують зв'язувальні речовини. Зв'язувальні речовини часто містять фосфор, який потрапляє до димових газів при спалюванні. Сполуки фосфору беруть участь в утворенні кислотних дощів та збільшують корозію димоходу. Тому краще використовувати гранули без зв'язувальних речовин.

Параметри деревних гранул:

• Діаметр: 5 - 8 мм
• Довжина: макс. 30 мм
• Щільність: хв. 650 кг/м³
• Вологість: макс. 8% ваги
• Теплотворна здатність: 4,5 - 5,2 кВт·год/кг
• 2 кг гранул = 1 літр мазуту

Існує багато переваг використання деревних гранул як палива. Для виробництва гранул не потрібно пиляти дерева - вони можуть бути отримані з відходів деревини. Спалювання гранул допомагає позбутися відходів деревообробної та меблевої промисловості. У гранулах зазвичай відсутні добавки поліпшення процесу горіння. При спалюванні гранул не утворюється дим. Використання цього виду палива зменшує потребу у викопному паливі, спалювання якого завдає шкоди навколишньому середовищу.

Вартість деревних гранул може залежати від місця отримання та пори року. Незалежно від того, живете ви в міському будинку або в сільській місцевості, деревні гранули є для вас найбільш безпечним і здоровим способом опалення. Гранули можуть використовуватися в різних типах будівель – готелях, ресторанах, магазинах, офісах, лікарнях та школах. Донедавна гранули використовувалися у 500 тис. будинків у Північній Америці.

Гранули можуть постачатися споживачеві на початку опалювального сезону

Деревна тріска

Деревна тріска виходить із відходів лісової деревини. Деревостій повинен проріджуватися при вирощуванні ділової деревини (для виробництва балок, дошок та меблевих заготовок). Таким чином, тріска є результатом звичайної експлуатації лісового господарства. Деревина подрібнюється у спеціальних рубальних машинах (чіперах). Розмір і вид тріски залежить від конкретної машини, проте типова тріска має від 2 до 5 см завдовжки і 1 см завтовшки. Вологість свіжої тріски становить близько 50% (вагових) і значно зменшується у процесі сушіння. У багатьох країнах, наприклад, Данії, тріска виготовляється для спалювання на станціях централізованого теплопостачання. Тріска зазвичай доставляється автомобільним транспортом, тому станції ЦТ, обладнані автоматичними котлами, повинні мати криті сховища об'ємом не менше 20 м³.

Рубальна машина Брикети з деревини

Споживання палива та інвестиційні витрати

У цій таблиці представлені порівняльні дані щодо різних видів палива для односімейного будинку площею 150 м² (теплове навантаження 12 кВт) в Австрії.

Типи котлів для тріски та гранул

Існує три типи котлів з автоматичною подачею для тріски та гранул:

• Компактні пристрої, в яких об'єднано котел і бункер.
• Пристрої з живильником, в яких котел і бункер відокремлені один від одного.
• Котли із передтопком.

Компактні пристрої

У таких пристроях паливо подається з бункера за допомогою автоматичного живильника. Кількість палива, що подається визначається за допомогою термостата. Якщо вода в котлі має малу температуру, подається більше палива, і навпаки. Компактні пристрої чудово працюють на гранулах. Вони менш пристосовані для тріски, яка має меншу енергетичну густину. Для тріски завантаження палива має проводитися надто часто. Крім того, вологість тріски нерідко буває надто високою, внаслідок її згоряння відбувається неоптимальним чином.

Котли з живильником

У таких котлах паливо також подається автоматично з бункера за допомогою шнекового конвеєра. Паливо подається в нижню частину решітки, де відбувається згоряння. Контроль здійснюється за допомогою термостата. Кращим видом палива є гранули, проте спалювання тріски також можливе у пристроях, розроблених спеціально для тріски. Тріска при цьому не повинна бути занадто вологою, тому необхідне її попереднє сушіння. Найкращим способом сушіння є витримування деревини перед подрібненням у рубальній машині. Тріска також може сушитися після рубки принаймні протягом двох місяців. Для цього необхідно мати значний простір для її зберігання.

Котли із предтопком

У цьому типі котлів спалювання палива в основному відбувається за високої температури в передтопках. Для підтримки високої температури передтопки мають глиняне обмуровування. Котли з предтопком придатні для спалювання вологої тріски. Гази, що не згоріли в передтопці, допалюються в котлі. У деяких котлах можуть спалюватись і гранули, проте існують котли, які можуть бути пошкоджені при спалюванні сухого палива. Тому перед придбанням котла необхідно проконсультуватися з виробником.

Витрати

Котли з автоматичною подачею палива коштують дорожче, ніж ручні котли. Це пояснюється відносною складністю їхньої конструкції. Зазвичай їх застосування економічно виправдане, якщо потрібна велика кількість теплоти протягом року. Для країн ЄС це означає потребу спалювати еквівалент 3000 літрів мазуту на рік. Якщо домовласник споживає менше тепла, йому краще придбати котел із ручною подачею дров. Якщо будинок вже обладнаний справним котлом, а домовласник думає про придбання, найдешевшим варіантом буде придбати пристрій для подачі палива. У Данії це коштуватиме 3-4 тис. євро разом із установкою. Описані вище типи котлів коштуватимуть щонайменше 50 тисяч крон. Незважаючи на це, деревоспалювальні котли окупаються в процесі експлуатації, тому що економія на придбанні палива становить близько 300 Євро на кожні 1000 літрів заміщеного мазуту.

Технічне обслуговування

Технічне обслуговування є надзвичайно важливим. Без нього існує ризик займання в димарі та отруєння чадним газом. Правильно працюючий котел краще використовує паливо і, в результаті, економить гроші. Період експлуатації котла залежить також від обслуговування.

Соломоспалювальні котли

Солома має близьку до деревини теплотворну здатність і може бути використана як паливо для котлів. Однак існує ряд труднощів, через які солома використовується переважно у великих котлах, які зазвичай працюють у системах централізованого теплопостачання та в сільському господарстві.

Солома – складний вид палива. Забезпечення котла соломою утруднено її негомогенною структурою, відносно великою вологістю та великим об'ємом порівняно зі вмістом енергії. Об'єм соломи перевищує в 10-20 разів обсяг вугілля з аналогічним вмістом енергії. Більш того, 70% компонентів соломи, що згоряються, містяться в летких газах, що виділяються в процесі спалювання. Вміст летких компонентів вимагає спеціальної конструкції топки та організації потоку повітря в ній. Солома містить сполуки хлору, які можуть спричинити проблеми з корозією при високих температурах. Температура плавлення солом'яної золи відносно низька через високий вміст лужних металів. В результаті можуть виникати проблеми із видаленням зол.

Системи централізованого теплопостачання

Незважаючи на перелічені проблеми, у світі існує велика кількість станцій централізованого теплопостачання, які використовують солому як паливо. Починаючи з 80-х років, лише у Данії було збудовано понад 70 таких станцій. Їхня потужність варіюється від 0,6 до 9 МВт при середній потужності 3,7 МВт. На цих станціях використовуються так звані пакунки Хестона (Hesston bales), що мають розміри 2,4x1,2x1,3 м і вага 450 кг. Конструкції станцій передбачають можливість використання резервного палива у газових або мазутних котлах для випадків великого пікового навантаження, ремонтів та аварій. Потужність котлів соломи спалювання зазвичай відповідає 60-70% максимального навантаження, що полегшує їх експлуатацію влітку в умовах низького навантаження.

Соломоспалювальні станції складаються зі стандартних компонентів:

• сховище для соломи.
• пристрій для зважування соломи.
• навантажувач.
• конвеєр.
• пристрій подачі палива в котел (живильник).
• котел.
• пристрій для очищення відпрацьованих газів.
• димова труба.

Котел

Конвеєр подає солому в нижню частину котла, де знаходиться масивні залізні грати. Тут відбувається спалювання. Грати зазвичай ділиться на кілька зон згоряння, кожна з яких має власний вентилятор, що подає повітря через решітку. Спалювання може контролюватись незалежно в кожній зоні. У такий спосіб досягається повне спалювання соломи. Більшість горючих речовин (70%) в результаті нагрівання виділяється у вигляді летких компонентів, які згоряють у камері топки над решіткою.

Для забезпечення повного згоряння летючих компонентів вторинне повітря подається через форсунки, встановлені у стінках котла. З камери згоряння димові гази подаються в конвективну зону котла, в якій більша частина тепла передається через стінки котла циркулюючій воді. Конвектор зазвичай складається з рядів вертикальних труб, якими пропускаються димові гази. У більшості станцій є економайзер - теплообмінник, встановлений за конвектором. В економайзері відбувається додаткова передача тепла воді, що призводить до підвищення ефективності системи загалом.

Вимоги до якості соломи

Солома, що постачається для спалювання, повинна задовольняти певні вимоги для того, щоб зменшити ризик виникнення експлуатаційних проблем у процесі виробництва енергії. Зберігання, підготовка, дозування, подача, спалювання та екологічні наслідки перерахованих операцій таять у собі можливість виникнення проблем. Вологість соломи є одним із найважливіших критеріїв якості цього виду палива. Зазвичай вологість варіюється в межах 10-25%, але іноді може бути й вищою. Теплотворна здатність та ціна соломи залежить від вологості.

Всі теплові станції визначають прийнятну максимальну вологість соломи, що поставляється. Високий вміст води може викликати проблеми при зберіганні та порушенні в роботі станції в цілому, а також зменшення потужності та збільшення витрат на підготовку, дозування та подачу соломи в котел (і, можливо, зменшення ККД котла). Прийнятна максимальна вологість соломи, що поставляється, відрізняється для різних станцій в межах 18-22%. Різні види соломи мають різні властивості при згорянні. Деякі види горять практично вибухоподібно, майже не залишаючи золи, інші горять повільно, залишаючи на ґратах "скелет" золи. Досвід, накопичений на різних станціях централізованого теплопостачання, не завжди є ідентичним. Відмінності в процесі спалювання не завжди можна пояснити на основі звичайних лабораторних вимірів.

Системи опалення потужністю менше 1 МВт

Цей тип установок відрізняється від систем централізованого теплопостачання і використовується переважно у сільській місцевості. Використання соломи як джерело енергії в аграрному секторі почалося в 70-х роках внаслідок енергетичної кризи, під час якої існували субсидії на встановлення котлів. За останні 10-15 років концепція таких котлів була розвинена від маленьких і примітивних котлів, що вимагають наявності обслуговуючого персоналу, що спалюють пакунки, що подаються вручну, і мають проблему з димовими газами, до великих котлів, що спалюють пакунки часто з автоматичною подачею, із завантаженням палива1 -2 рази на добу.

Котли з періодичною подачею палива

Раніше на ринку переважали котли для маленьких пакунків. Сьогодні більшість котлів з періодичною подачею пристосована для великих тюків (круглі та прямокутні тюки Хестона). Котли, що використовують великі пакунки, добре пристосовані для забезпечення річної потреби в теплі, що відповідає споживанню принаймні 10000 л мазуту. Є котли різних розмірів, що використовують одночасно від одного круглого пакунка (200-300 кг) до двох пакунків Хестона (1000 кг). Зазвичай котел спалює тюки послідовно. Трактор, обладнаний захопленням, доставляє пакунок на решітку через відкриту передню частину котла. Для забезпечення гарного спалювання та зменшення винесення частинок у димових газах швидкість і кількість повітря, що подається в котел, можуть відрізнятися у верхній і нижній частині камери згоряння.

Раніше котли з періодичним завантаженням викликали багато проблем у разі використання соломи низької якості. Крім того, виникали складнощі з контролем подачі повітря. В останніх моделях ці проблеми вирішено. Вміст води, однак, має підтримуватись не вище 15-18%. Сьогодні максимальна ефективність котлів досягає 75% при вмісті нижче 0,5%. Десять років тому типовим значенням ефективності було 35%.

Котли з автоматичною подачею палива

Цікавість до котлів з автоматичним завантаженням зросла тому, що популярні котли з періодичною подачею тюків малого розміру вимагають наявності значного обслуговуючого персоналу. Було розроблено кілька типів автоматичних котлів, проте всі вони включають пристрій, що дозує, який автоматично і постійно постачає котел соломою. Такий пристрій може працювати з цілими тюками, подрібненою соломою або солом'яними гранулами.

Котли для солом'яних тюків

Пристрій, що складається з розпушувача та ріжучого пристрою, поділяє тюки на окремі частини різних розмірів. Тюки подаються до нього за допомогою конвеєра. Кількість соломи, що надходить, часто регулюється за допомогою зміни швидкості конвеєра. Після здрібнення солома переміщається за допомогою черв'ячного транспортера або вентиляторів. Якщо використовуються вентилятори, то відстань до котла може бути більшою, проте при цьому використовується більша кількість енергії.

На практиці розпушувач не ріже або розриває солому, а поділяє її на сегменти, в яких солома була спресована прес-підбирачем. Для забезпечення постійної кількості соломи, що подається, розпушувач зазвичай обладнаний утримуючим пристроєм. Більшість розпушувачів мають ножі для подрібнення від утворення великих фракцій соломи.

В автоматичних котлах спалювання відбувається одночасно з подачею соломи в топку. Кількість повітря, що подається, відповідає кількості соломи і регулюється за допомогою змінної заслінки перед вентилятором. Це забезпечує оптимальне спалювання та високий коефіцієнт використання палива, а значить і зменшення емісії пилу порівняно з ручними котлами, які не мають регулювання подачі повітря. Займання соломи в автоматичних котлах не викликає проблем, оскільки подача палива відбувається безперервно.

Котли для солом'яних гранул

Інтерес до використання солом'яних гранул як джерело енергії зріс протягом останніх років. В даний час виробництво та використання солом'яних гранул відносно невелике. Інтерес викликаний однорідною та зручною структурою цього виду палива, чудово пристосованого для транспортування в танкерах та використання в автоматичних теплопостачальних установках. Однак існують ще невирішені проблеми із видаленням зол у разі використання солом'яних гранул у малих котлах.

Опалювальні пристрої на гранулах зазвичай використовуються в індивідуальних будинках. Зазвичай вони складаються з котла та закритої ємності для палива (солом'яних гранул). Черв'яковий живильник подає гранули в топку котла. Живильник працює періодично, а кількість палива, що подається, регулюється величиною інтервалу між його послідовними включеннями. Повітря подається за допомогою вентилятора. Кількість золи в малих котлах зазвичай дорівнює 4% від ваги використаної соломи.

Виробництво деревного вугілля - піроліз

Виробництво деревного вугілля охоплює широкий діапазон технологій від простих та рудиментарних земляних пристроїв до складних, що мають велику потужність реторту. Використання різних технологій призводить до одержання деревного вугілля різної якості. Поліпшення технології виробництва деревного вугілля спрямоване на відносне збільшення вугілля на виході та покращення його якісних характеристик.

Типові параметри якісного деревного вугілля:

• Вміст золи - 5%.
• Вміст вуглецю - 75%.
• Вміст летких компонентів – 20%.
• Щільність - 250-300 кг/м3.
• Фізичні параметри - Помірно пухкий.

Зусилля щодо оптимізації виробництва деревного вугілля спрямовані на оптимізацію наведених вище параметрів при мінімальних інвестиціях та витратах на обслуговуючий персонал та максимальному виході вугілля по відношенню до кількості деревини на вході.

Виробництво деревного вугілля складається із шести головних етапів:

• Підготовка деревини.
• Сушіння або зменшення вологості.
• Попередня карбонізація - зменшення кількості летких компонентів.
• Карбонізація - подальше зменшення кількості летючих компонентів.
• Завершення карбонізації - збільшення вмісту вуглецю.
• Охолодження та стабілізація деревного вугілля.

Перший етап складається зі збору та підготовки основної сировини – деревини. Для малих виробників виробництво деревного вугілля є додатковою та періодичною діяльністю, що дозволяє зменшити витрати на придбання палива або підвищити доходи від його продажу. Відповідно, для них підготовка сировини полягає у простому збиранні сучків та гілок. Для цього витрачається незначний час. Перед використанням деревина висушується. Зменшення вмісту води полегшує надалі процес карбонізації. У разі виробництва вугілля проводиться очищення деревини від кори. За існуючими оцінками використання деревини з корою призводить до утворення деревного вугілля, що має зольність близько 30%. У разі попереднього видалення кори зольність вугілля зменшується до 1-5%, покращуючи параметри згоряння деревного вугілля.

Другий етап отримання деревного вугілля виконується при температурах від 110 до 220 оC. Цей етап полягає переважно у зменшенні кількості води в деревних порах, води, що міститься в клітинах та хімічно зв'язаної води.

Третій етап проводиться при температурах від 170 до 300°C і часто називається етапом попередньої карбонізації. На цьому етапі виділяються піролізні рідини у формі метанолу та оцтової кислоти, а також мала кількість окису та двоокису вуглецю.

Четвертий етап виконується при температурах від 200 до 300°C, коли утворюється основна частина легких смол та піролізних кислот. Наприкінці цього етапу утворюється деревне вугілля, яке є результатом карбонізації деревних залишків.

На п'ятому етапі при температурах від 300 до максимальної 500°C завершується виділення летких компонентів і збільшується вміст вуглецю у вугіллі.

На шостому етапі отримане вугілля охолоджують протягом принаймні 24 годин, щоб збільшити його стійкість та знизити ризик мимовільного займання.

Нарешті, фінальний етап полягає у вилученні вугілля, упаковці, транспортуванні, оптовому та роздрібному продажу споживачам. Виконання цього етапу може значно вплинути на якість вугілля, що поставляється споживачам. Вугілля крихке, тому підготовка та транспортування на великі відстані може збільшити вміст дрібної фракції в ньому до 40%. Це значно зменшує цінність вугілля. Упаковка в мішках дозволяє суттєво зменшити подрібнення.

Газифікація деревини

Газифікація деревини називається також газогенерацією або сухою перегонкою. Суть процесу полягає у виробництві пального газу за допомогою нагрівання деревини. Монооксид вуглецю, метиловий газ, метан, водень, газоподібні вуглеводні та інші компоненти у різних пропорціях можуть бути отримані за допомогою нагрівання або спалювання деревини в умовах відсутності чи нестачі кисню. Ця мета може бути досягнута в топкових пристроях, що обмежують надходження повітря ззовні, внаслідок чого спалювання відбувається не повністю.

Подібним процесом є нагрівання деревини в закритій ємності з використанням зовнішнього джерела тепла. У різних процесах виходять різні продукти. Якщо при спалюванні деревини забезпечити необхідну кількість кисню, то в процесі такого спалювання утворюються двоокис вуглецю, вода, невелика кількість золи (що відповідає вмісту неорганічних речовин) та тепло. Цей тип спалювання реалізується у звичайних деревоспалюючих печах.

Після початку процесу горіння можна обмежити надходження повітря. При цьому горіння продовжуватиметься, але з частковим згорянням. У разі повного згоряння вуглеводню (деревина здебільшого складається з вуглеводнів) кисень поєднується з вуглецем, а також з воднем. В результаті чого виходять CO2 (двоокис вуглецю) та H2O (вода). Обмежена кількість повітря та тепло забезпечують продовження неповного згоряння. У цих умовах один атом кисню поєднується з одним атомом вуглецю, тоді як водень взаємодіє з киснем лише частково.

В результаті виходить монооксид вуглецю, вода та газоподібний водень. Крім того, утворюються інші компоненти, наприклад, вуглець у вигляді диму. Під впливом тепла розриваються хімічні зв'язки в молекулах складних вуглеводнів, що містяться в деревині (а також будь-якому іншому вуглеводневому паливі). Одночасно в процесі об'єднання атомів вуглецю та водню з киснем виділяється тепло. Отже, процес підтримує себе. Якщо кількість повітря недостатньо, то результаті такого процесу утворюється достатньо тепла для розкладання молекул деревини, але продуктами цього процесу будуть монооксид вуглецю і водень - горючі гази. Інші продукти неповного згоряння - це переважно діоксид вуглецю та вода.

Газифікація є простим способом отримання газоподібного палива з твердої деревини. На відміну від громіздкої деревини, газ є зручним і може використовуватися в різних існуючих пристроях, не останнім з яких є двигун внутрішнього згоряння.

При спалюванні деревини вода, що утворюється, за певних умов може брати участь у процесі сухого сублімації. Деревина також містить інші хімічні елементи від алкалоїдів до мінералів, які також беруть участь у цьому процесі. У процесі сублімації деревини утворюються метан, метиловий газ, водень, вуглекислий і чадний гази, деревний спирт, вуглець, вода, а також багато малі добавки. Кількість метану може сягати 75%. Метан є простим вуглеводнем, що міститься в природному газі, який також може бути отриманий в процесі анаеробного бактеріального розкладання органічних речовин (біогаз або болотний газ).

Він має високу теплотворну здатність та простий у використанні. Метиловий газ має відношення до метанолу (деревного спирту) і може спалюватися безпосередньо або після перетворення на метанол, який є високоякісним рідким паливом, придатним для спалювання в незначно модифікованих двигунах внутрішнього згоряння. Очевидно, що обидва базові процеси отримання деревного газу - неповне спалювання і сухе сублімація - призводять до утворення зручного палива, яке може замістити природні копалини (природний газ або такі зріджені гази, як пропан або бутан). Він може спалюватися в існуючих топкових пристроях або використовуватися як паливо для двигунів внутрішнього згоряння при дотриманні деяких важливих запобіжних заходів.

Газогенератори

Найпростішим газогенератором є резервуар, що являє собою перевернутий конус (воронку). Отвір, що закривається, у верхній частині дозволяє користувачеві завантажувати тирсу. У верхній частині є отвір для відведення газу. У нижній частині "воронка" відкрита. Тут відбувається процес горіння. Після завантаження (утворюється природна пробка) тирсу підпалюють у нижній частині за допомогою, наприклад, пропанового факела. Тирса починає тліти. Процес підтримується за допомогою вакууму, створюваного повітродувкою або двигуном внутрішнього згоряння.

Гази піднімаються через пористу деревну масу, частково фільтруючись при цьому, і залишають пристрій у верхній частині. Тут гази знову фільтруються і при необхідності піддаються обробці. Створення вакууму забезпечує також надходження повітря, необхідне підтримки процесу. Описаний газифікатор є примітивним. Його роботу важко контролювати, особливо якщо горіння відбувається у верхньому шарі завантаженого палива. Оскільки в конструкції не передбачено контроль рівномірного горіння, то можливе наскрізне прогорання шару.

Після того, як вогонь з'явився на поверхні, кількість повітря, що надходить, різко збільшується. При цьому повністю згоряють як тверда сировина (тирса), так і летючі компоненти. Таким чином, контроль процесу залежить від малої пористості тирси. Наприклад, використання гілок в описаній конструкції неможливе через те, що кількість повітря буде занадто великою, і замість тління відбуватиметься повне спалювання при високій температурі.

Такі пристрої непридатні для тривалого отримання газу. Однак вони дешеві та можуть працювати з різними видами сировини. Для тривалої експлуатації деревні котли газифікатори повинні мати більш складну систему контролю подачі повітря і палива. Існують різні способи досягнення цієї мети. Наприклад, якщо описаний вище газифікатор повністю закритий, можна здійснити контроль подачі повітря. У цьому випадку можна успішно спалювати більше деревини.

6. Ферментація

Перетворення біомаси на етанол

Спирт може використовуватися як паливо в двигунах внутрішнього згоряння або самостійно, або як добавка до бензину. Існує багато видів доступної сировини, з якої можна виробляти спирт, використовуючи існуючі покращені та перевірені технології. Спирт має чудові показники для спалювання. Горіння відбувається дуже чисто та з високим октановим числом.

Двигуни внутрішнього згоряння, оптимізовані для роботи на спирті, на 20% ефективніші за двигуни, що працюють на бензині. А двигуни, створені спеціально для роботи на спирті, можуть бути ефективнішими на 30%. Більше того, існують численні екологічні переваги: ​​зменшення емісії свинцю, CO₂, SO₂, частинок вуглеводнів та СО.

Етанол є найбільш важливим спиртовим паливом, яке може бути отримано перетворенням крохмалю, що міститься в біомасі (наприклад, кукурудзі, картоплі, буряках, цукровій тростині, пшениці) у спирт. У цьому використовується той самий процес ферментації, як і для виготовлення спиртних напоїв. Для того, щоб перетворити складні сахариди на простіші форми і спирт, використовуються дріжджі та тепло. Розроблено відносно новий процес для виробництва етанолу, в якому перетворюється целюлоза, що міститься у сировині (деревина, трава, сільськогосподарські відходи). Целюлоза є іншою формою вуглеводів, яка може бути перетворена на прості цукру. Цей процес відносно новий, який не отримав комерційного розповсюдження. Однак у перспективі він може бути розвинений з використанням найпоширенішої дешевої сировини.

Наразі у США виробляється близько 6 мільярдів літрів етанолу на рік. Потенціал виробництва етанолу у світі виріс у порівнянні з 1977 роком у вісім разів і досягає 20 мільярдів літрів на рік. Латинська Америка на чолі з Бразилією є світовим лідером у виробництві біоетанолу. Такі країни, як Бразилія та Аргентина, вже сьогодні виробляють велику кількість етанолу, інші, як Болівія, Коста-Ріка, Гондурас та Парагвай тощо, серйозно думають про цю можливість. Використання спирту як палива стрімко розвивається у деяких африканських країнах: Кенії, Малаві, ПАР і Зімбабве. Інші (Маврикій, Свазіленд, Замбія) мають великий потенціал.

У деяких країнах цукрова промисловість модернізована, що призвело до зниження виробничих витрат. Багато з цих країн не мають виходу до моря, в результаті продаж меляси, що виробляється в них, на світовому ринку економічно недоцільна. З іншого боку, імпорт нафти до цих країн також коштує дорого. Виходом для цих країн може стати диверсифікація цукрової промисловості, відмова від імпорту енергоносіїв, покращення використання місцевих ресурсів та, побічно, покращення екологічного менеджменту. Для цих країн, особливо з урахуванням відносно низької потреби в автомобільному паливі, використання етанолу як паливо дуже привабливе. Загальний інтерес до паливного етанолу значно зріс за останнє десятиліття, незважаючи на падіння нафтових цін після 1981 року.

У країнах, що розвиваються, цей інтерес пояснюється низькими цінами на цукор на міжнародному ринку, а також стратегічними причинами. У розвинених країнах головною причиною є зростаюча екологічна стурбованість, а також можливість вирішення деяких поширених соціально-економічних проблем, таких як використання сільськогосподарських земель та перевиробництво продовольства. Оскільки розуміння цінності етанолу зростає, все більше політичних заходів вживається для підтримки використання етанолу як палива.

Оскільки хімічні властивості етанолу відрізняються від бензину, він вимагає дещо іншого обігу. Наприклад, випаровування етанолу відбувається повільніше, ніж бензину. Це означає, що у разі використання чистого етанолу (100%) холодний запуск двигуна може бути проблемою. Однак ця проблема може бути вирішена за допомогою зміни конструкції двигуна та складу палива. Зміна конструкції також дає змогу збільшити ефективність двигуна. Незважаючи на те, що теплотворна здатність літра етанолу становить 2/3 від теплотворної здатності літра бензину, налаштування двигуна для етанолу може відшкодувати половину цієї різниці. Ще однією перевагою етанолу є те, що у разі розливу він як органічний продукт розкладається швидше і простіше, ніж бензин.

Використання етанолу навіть як малі добавки (наприклад, Е10 - 10% етанолу і 90% бензину) має екологічні переваги. Тести показали, що Е10 утворює менше чадного газу (СО), діоксиду сірки (SO2) та вуглекислого газу (СО2) ніж бензин марки RFG. Добавки етанолу вже допомогли вирішити проблему з чадним газом у таких містах США, як Денвер та Фенікс. Однак Е10 утворює більше летких органічних компонентів (VOC), пилу та оксидів азоту (NOx), ніж бензин RFG. При використанні більшої кількості етанолу (Е85, з 15% бензину) або майже чистого етанолу Е100 усі види перерахованих забруднень утворюються меншою мірою.

Виробництво етанолу за допомогою ферментації складається з чотирьох етапів:

• а) вирощування, збирання та доставка сировини на спиртовий завод;
• б) підготовка та перетворення сировини на субстрат, придатний для ферментації;
• в) ферментація субстрату з отриманням етанолу, очищення методом дистиляції;
• г) переробка залишків після ферментації для зменшення кількості відходів та отримання побічних продуктів.

Технологія ферментації та її ефективність швидко покращувалися протягом останнього десятиліття. Зроблено деякі інноваційні зміни у використанні нових матеріалів. Зменшено витрати на виробництво. Проте технологічні зміни більше впливають на доступність та вартість сировини і, в результаті, на вартість рідкого палива, ніж на зростання ринку загалом.

Многочисленні види сировини для виробництва етанолу можна розділити на три типи:

• а) цукор, що одержується з цукрової тростини, цукрових буряків або фруктів, який може бути безпосередньо перетворений на етанол;
• б) крохмалі із зернових культур і коренеплодів, які повинні бути схильні до гідролізу в присутності ферментів для отримання ферментованого цукру;
• в) целюлоза з деревини, сільськогосподарських відходів тощо, яка має бути перетворена на сахариди з використанням або кислот, або ферментативного гідролізу.

Останній варіант, однак, залишається демонстраційним і наразі вважається економічно недоцільним. Основний інтерес представляє використання цукрової тростини, кукурудзи, деревини, маніока, сорго, і до певної міри, зернових культур та єрусалимського артишоку. Етанол також виходить із лактози, що міститься у відходах сироватки (наприклад, в Ірландії вона використовується для виробництва спиртних напоїв, а в Новій Зеландії – для паливного етанолу). Проблемою, яку ще потрібно вирішити, є сезонність рослинних культур. Це означає, що часто необхідно знайти альтернативне джерело сировини для забезпечення цілорічної роботи виробничих потужностей.

Виробництво паливного етанолу Етаноловий завод в Індіані (США) Відходи переробки цукрової тростини (багасу)

Цукрова тростина залишається найзначнішою сировиною для виробництва етанолу у світі. Він є одним із найпродуктивніших рослин – за оптимальних умов вирощування близько 2,5% енергії Сонця засвоюється в процесі фотосинтезу. Іншою перевагою цієї культури є те, що жом цукрової тростини - побічний продукт виробництва етанолу - може бути використаний як місцеве джерело електричної енергії. Верхня частина та листя цієї рослини також можуть використовуватися для цієї мети. Хороші спиртові заводи, що працюють на цукровій тростині, можуть забезпечувати себе повністю електроенергією і навіть виробляти її надмірно.

Метанол

Метанол є іншим видом спиртового палива, яке виходить із біомаси або вугілля. Проте в даний час метанол виробляється переважно з природного газу і обмежено використовується як паливо для демонстраційних та спортивних цілей. З цієї причини ми не розглядатимемо його в даній роботі. Крім того, вважається, що метанол не має всіх екологічних переваг, властивих етанолу.

Бразилія

У Бразилії етанол використовується як транспортне паливо з 1903 року. Нині країни реалізується найбільша у світі програма розвитку етанолу. Починаючи зі створення Національної Програми Розвитку Етанолу "ProAlcool's" у 1975 році, в країні вироблено понад 90 мільярдів літрів етанолу із цукрової тростини. Загальна потужність 661 заводу досягла 1988 року 16 мільярдів літрів на рік. 1989 року 12 млрд літрів етанолу заміняли 200 000 барелів імпортованої нафти на день. Майже 5 мільйонів автомобілів зараз використовують чистий біоетанол і 9 мільйонів їздять на бензині з добавкою 20-22% етанолу (Виробництво автомобілів для чистого етанолу було зупинено у 1979 році).

Поряд з головною метою програми "ProAlcool's" - зменшити імпорт нафти, іншими цілями були захист плантацій цукрової тростини, збільшення використання місцевого поновлюваного енергоресурсу, розвиток спиртової промисловості та вирішення соціально-економічних та регіональних проблем за допомогою розширення земель, що культивуються, та створення нових робітників місць. Незважаючи на те, що програма ProAlcool's планувалася централізовано, етанол повністю виробляється децентралізованим приватним сектором.

Програма "ProAlcool's" прискорила темпи технологічного розвитку та зменшила витрати у сільському господарстві та деяких галузях промисловості. У Бразилії розвинений сучасний та ефективний аграрний бізнес, здатний витримувати закордонну конкуренцію. Виробництво спирту є одним із найбільших секторів бразильської промисловості. Бразильські фірми експортують обладнання для виробництва спирту до багатьох країн. Крім того, у країні була розвинена спиртова хімічна промисловість.

Хімічні заводи, засновані на переробці спирту, більше підходять для багатьох країн, що розвиваються, ніж нафтові. Вони менші, вимагають меншої кількості інвестицій, можуть працювати в аграрному секторі та використовувати місцеву сировину.

Соціальний розвиток

Створення робочих місць у сільській місцевості виявилося головною перевагою програми "ProAlcool's" - Виробництво етанолу у Бразилії потребує великих витрат людської праці. Близько 700 тисяч робочих місць було створено безпосередньо, і в 3-4 рази більше опосередковано. Кількість інвестицій, необхідних для створення одного робочого місця у виробництві етанолу, варіюється від 12 до 22 тисяч американських доларів, що, наприклад, у 20 разів менше за аналогічний показник у хімічній промисловості.

Екологічний вплив

Можливе забруднення довкілля було пов'язане з реалізацією програми ProAlcool's. Вплив на навколишнє середовище може бути значним через велику кількість одержуваних продуктів перегонки та можливого їх потрапляння у воду. На 1 літр етанолу спиртовий завод виробляє від 10 до 14 літрів рідких продуктів із високим показником біологічної потреби у кисні. На наступних стадіях виконання програми були зроблені значні зусилля щодо вирішення цих екологічних проблем. Сьогодні використовуються альтернативні технологічні рішення, що зменшують кількість рідких відходів, перетворюючи їх на добрива, корм для тварин, біогаз тощо. Ці заходи значно зменшили рівень забруднення у великих містах, наприклад Сан-Пауло. Використання відходів як добрива для цукрової тростини дозволяє збільшити його врожайність на 20-30%.

Економічні аспекти

Незважаючи на численні дослідження, виконані щодо практично всіх аспектів виконання програми у Бразилії, досі існують розбіжності щодо оцінки її економічних аспектів. Це пояснюється тим, що витрати на виробництво етанолу та його економічна цінність для споживача і для країни залежать від багатьох видимих і невидимих факторів, які роблять витрати залежать від місця і змінними в часі, іноді з кожним днем.

Наприклад, виробничі витрати залежать від місцезнаходження, конструкції та управління установкою. Виявляється важливим, чи є установка незалежною, що працює поряд з плантаціями, що спеціалізуються на виробництві спирту, або вона входить до складу плантації, що спеціалізується на експорті цукру. З іншого боку, економічна цінність етанолу для споживача залежить переважно від світових цін на сиру нафту і цукор, а також від того, чи етанол використовується в зневодненій формі як добавка до бензину, або як самостійне паливо без попереднього видалення води.

У період між 1979 та 1988 роками вартість виробництва етанолу щорічно знижувалася на 4% за рахунок оптимізації вирощування та переробки цукрової тростини. Вартість виробництва етанолу можна знизити ще, якщо утилізувати відходи виробництва, переважно жом (багасу). І тут можливе зменшення витрат рівня 0,15 $/літр, що зробить етанол конкурентоспроможним стосовно бензину навіть за умов низьких цін на нафту початку 90-х. Підраховано, що у разі використання газифікаторів/парових турбін для виробництва електроенергії з жому одночасно з виробництвом етанолу витрати на електроенергію становитимуть 0,045 $/кВт·год.

Незважаючи на проблеми, програма є успішним прикладом досягнення поставленої мети. Мета програми була досягнута вчасно, а її вартість виявилася нижчою за передбачену. У процесі реалізації програми та збільшення потужності цукрової та спиртової промисловості була розвинена власна експертиза у цій галузі. Збільшено незалежність країни, досягнуто економії в балансі міжнародної торгівлі, забезпечено базу технологічного розвитку як у виробництві, так і в споживанні етанолу, створено нові робочі місця.

Успіх Бразилії обумовлений такими чинниками: політикою та підтримкою уряду, економічними та фінансовими стимулами, залученням приватного сектору, технологічним потенціалом виробництва етанолу, тривалим історичним досвідом виробництва та використання етанолу, співпрацею між урядом, виробниками цукрової тростини та автомобільною промисловістю, адекватними , Різноманітністю плантацій дешевої цукрової тростини в хороших кліматичних умовах і на придатних землях, а також наявністю цукрової промисловості. В результаті були потрібні відносно невеликі інвестиції для організації виробництва етанолу.

Зімбабве

Зімбабве є прикладом щодо невеликої країни, яка робила спроби вирішити проблему імпорту нафти за допомогою зміцнення власної агропромислової бази. Здобуття незалежного та надійного джерела рідкого палива вважалося оптимальною стратегією, враховуючи географічне положення країни, нестійку політичну ситуацію, обмеження у міжнародній торгівлі, а також інші економічні міркування. Зімбабве немає своїх джерел нафти, тому всі продукти переробки нафти імпортувалися. На ці цілі йшло 120 млн амер. доларів або 18% доходу країни від міжнародної торгівлі.

З 1980 року Зімбабве є в Африці піонером виробництва етанолу для використання як добавки до бензину. Спочатку використовувалася суміш бензину із 15% спирту. Зі збільшенням його споживання зроблено перехід використання 12% добавки. Це єдиний вид палива, доступний на ринку для автомобілів із іскровим запаленням. Починаючи з 1983 року, виробництво етанолу в країні становить 40 млн літрів на рік.

7. Малі біогазові установки

Існує два базові типи розкладання або ферментації: природний та штучний. Поняття "анаеробний процес" означає процес в умовах відсутності повітря (кисню). Тому будь-яке розкладання або ферментація органічних матеріалів за відсутності повітря (кисню) називається анаеробним зброджуванням або ферментацією, яка може відбуватися або в природних або штучних умовах.

Властивості зброджування органічних матеріалів

Коли вихідні органічні матеріали зброджуються в замкненому обсязі без доступу повітря, лише деяка частина відходів перетворюється на біогаз. Матеріали зброджуються частково, або накопичуються всередині метантенка, або видаляються разом зі зброженим розчином. Здатність до зброджування та інші пов'язані з ним властивості органічних речовин виражаються такими параметрами:

Вологість

Ця вага води, яку речовина втрачає в процесі сушіння при 100°C. Насправді процес сушіння проводиться протягом 48 годин у печі до повного видалення води. Вміст води визначається різницею між вагою ОВ до та після сушіння.

Вміст твердої речовини

Вага сухої речовини (СВ) або Вміст твердої речовини (ТВ) описані вище. ТБ є "сухою вагою" ВВ (зазначимо, що після сушіння ВВ на сонці в ньому залишається близько 20% води). Значення 10% вологості означає, що 100 г речовини містять 10 г води і 90 г СВ. СВ або ТБ складається з органічних речовин (або летючого ТБ) та інертного ТБ (зола).

Летючі компоненти

Вага згоряної органічної речовини (ОВ) в умовах нагрівання СВ (ТВ) до температури 550°C протягом трьох годин називається летючою твердою речовиною (ЛТВ) або летючою матерією. Для високотемпературного нагріву СВ (ТВ), що міститься в ВВ, використовуються печі муфельні. Після нагрівання залишаються лише неорганічні компоненти (зола). Іншими словами, ЛТВ є частка ТБ, яка згоряє при нагріванні до 550°C. Неорганічні речовини, що залишаються після нагрівання, називають зв'язаним (нелетким) ТБ або золою. Саме леткі тверді речовини можуть бути перетворені бактеріями (мікробами) на біогаз.

Зола

Речовина, що залишається після нагрівання до 550°C, називається неорганічним залишком або золою (FS). Йдеться про біологічно інертні речовини.

Системи виробництва біогазу

Біогаз, що є переважно сумішшю метану і двоокису вуглецю, виробляється як у природних, так і в штучних умовах. Проте з техніко-економічної точки зору, виробництво біогазу в штучних системах є найкращим і найзручнішим методом. Утворення біогазу - біологічний процес, що має місце в умовах відсутності повітря (кисню), у процесі якого органічні речовини перетворюються на метан (CH4) та вуглекислий газ (CO2).

В результаті реалізації цього процесу виходить чудове органічне добриво, і також може бути отриманий гумус. Однією з визначальних вимог виробництва біогазу є наявність герметичного контейнера. Біогаз може бути отриманий тільки в анаеробних умовах, за яких анаеробні бактерії, що живуть тільки без кисню, перетворюють органічну речовину. Герметичний контейнер, який використовується для виробництва біогазу в штучних умовах, називається дайджестер (метантенк) або реактор.

Склад біогазу

Біогаз є безбарвним, не має запаху горючим газом, що виходить з органічних відходів і біомаси в процесі декомпозиції (ферментації). Біогаз може бути отриманий з тваринних та рослинних відходів, відходів людської діяльності, рослинних культур, листя, водних рослин тощо. Склад біогазу наведений нижче:

• Метан (CH4): 55-70%
• Двоокис вуглецю (CO2): 30-45%
• Сіроводень (H2S): 1-2%
• Азот (N2): 0-1%
• Водень (H2): 0-1%
• Монооксид вуглецю (CO): сліди
• Кисень (O2): сліди

Властивості біогазу

Біогаз горить блакитним полум'ям. Він має теплотворну здатність 4500-5000 ккал/м3 при вмісті метану 60-70%. Величина теплотворної здатності прямо пропорційна вмісту метану, який, у свою чергою, залежить від сировини, що використовується для отримання біогазу. Через різну теплотворну здатність використання пальників, призначених для інших газів (бутан, скраплений нафтовий газ та ін.) дає меншу ефективність. Використання спеціальних біогазових пальників дозволяє досягти теплової ефективності 55-65%.

Біогаз - нетоксичний, безбарвний, безсмачний стійкий газ, що не має запаху. Однак, у разі наявності малої кількості сірководню, біогаз може мати слабкий запах тухлих яєць. Цей запах помітний не завжди і практично завжди відсутній у разі спалювання біогазу. Спалювання біогазу в повітряному середовищі утворює блакитне полум'я із виділенням великої кількості теплової енергії. Через наявність великої кількості вуглекислого газу біогаз є безпечним (невибухонебезпечним) паливом для сільських будинків.

Один кубометр біогазу містить 4500-5500 ккал/м3 теплової енергії та при спалюванні у спеціалізованих пальниках, що мають ефективність 60%, може забезпечити 2700-3200 ккал/м3 тепла. За визначенням, одна ккал - це тепло, потрібне для того, щоб підняти температуру 1 кг (літра) води на один градус. Отже, корисне тепло (в середньому 3000 ккал/м3), що міститься в одному кубометрі біогазу, є достатнім для доведення до кипіння 100 кг (літрів) води з початковою температурою 200 оC або протягом 4-5 годин світіння лампи потужністю 60 - 100 Вт.

Утворення біогазу

Процес декомпозиції (ферментації, зброджування) органічних (біодеградованих) матеріалів з утворенням метану відбувається за участю групи мікроорганізмів, що належать до сімейства метанових бактерій, і є складним біологічним і хімічним процесом. На практиці він часто ділиться на дві основні стадії – утворення кислот (зрідження) та утворення газу (газифікація). Однак процеси анаеробної ферментації при більш ретельному розгляді можуть бути розбиті на чотири стадії:

• Гідроліз.
• Утворення кислот.
• Гідрогенізація.
• Утворення метану.

У той же час для практичних цілей утворення метану досить подати як процес, що складається з трьох етапів - гідролізу, утворення кислот та метану. У субстраті всередині метантенка працюють дві групи бактерій: неметаногенові та метаногенові. Неметаногени за нормальних умов можуть розвиватися при кислотності (рН) 5,0-8,5 у температурному діапазоні 25-42°C. Ідеальними умовами для метаногенів є рН 6,5-7,5 та температурний діапазон 25-35°C. Це так звані мезофільні бактерії, які є у всіх простих біогазових установках та можуть існувати в широкому діапазоні температур від 15 до 40°C. Однак ефективність роботи бактерій дуже швидко знижується при зниженні температури субстрату нижче 20°C і практично дорівнює нулю при температурі нижче 15°C.

В Індії, наприклад, мезофільні бактерії можуть існувати в біогазових установках, в яких не використовується нагрівання або теплоізоляція метантенка. Це забезпечує невелику вартість установок, що використовуються в індивідуальних господарствах. Існують дві інші групи анаеробних бактерій, а саме психрофільні та термофільні бактерії. Перша група може існувати при низьких температурах в діапазоні 10-15°C, проте доцільність використання цих бактерій у практичних цілях не встановлена ​​досі. Термофільні бактерії працюють при значно вищих температурах в діапазоні від 45 до 55 ° C і є дуже ефективними. Вони більш корисні у великих біогазових установках, особливо в тих, де як сировину використовуються гарячі стоки. В обох випадках пристрій біогазових установок має бути складним, тому групи бактерій, що описуються, не знайшли застосування в простих сільськогосподарських біогазових установках індійського типу.

Пристрій біогазових установок

Біогазова установка (БУ) є герметичним контейнером, який забезпечує процес ферментації органічних матеріалів в анаеробних умовах. Іншими назвами можуть бути "Біогазовий Дайджестер", "Біогазовий Реактор", "Метановий Генератор", "Метановий Реактор". Рециркуляція та обробка органічних відходів (біодеградованих матеріалів) у процесі анаеробного зброджування (ферментації) виробляє не тільки біогаз як чисте та зручне паливо, а й чудове збагачене добриво у вигляді збродженого гною. Тому СУ по суті є фабриками з виробництва біодобрив.

Вихідна сировина (зазвичай у гомогенній рідкій формі) подається в метантенк через вхідну трубу, зазвичай з ємності для попереднього зберігання/перемішування. Розкладання (ферментація) відбувається всередині метантенка (реактора) внаслідок бактеріального впливу, в результаті якого виходять біогаз та органічне добриво (гній), багате на гумус та інші органічні речовини. Біогаз збирається у верхній частині метантенка. У деяких СУ є плаваючі газгольдери для збирання біогазу, в інших для цього передбачена окрема камера. З метантенка зброджений рідкий залишок видаляється (часто автоматично) по випускних трубопроводах.

Компоненти біогазових установок

Основними компонентами СУ є: метантенк (реактор), газгольдер, система завантаження, система вивантаження, змішувальна ємність та випускний газопровід.

Метантенк

Є циліндричну або еліпсоїдальну конструкцію, заглиблену в землю, в якій відбувається процес зброджування (ферментації) субстрату. Часто метантенк називають ферментаційною ємністю чи камерою. У простих БО для індивідуальних господарств, що працюють при температурі навколишнього повітря, метантенк розрахований так, щоб середній час перебування в ньому гною дорівнював 55, 40 або 30 днів. Цей час називається гідравлічним часом утримання (ГВП) біогазової установки.

Тривалість 55, 40 та 30 днів визначається температурною зоною країни. Територія Індії розбита на три температурні зони. Метантенк може бути побудований за допомогою цегляної чи кам'яної кладки, бетону чи бетонних блоків, залізобетонних чи сталевих конструкцій. Крім того, в Індії часто використовуються конструкції з бамбука, обмазаного цементним розчином. Для малих БУ з плаваючим газгольдером та об'ємом від 2 до 3 кубометрів внутрішній об'єм метантенка є однією камерою.

Для об'єму 4 кубометри і більше усередині метантенка будується стінка. Це робиться для того, щоб уникнути часткової циркуляції субстрату та підвищити загальну ефективність роботи установки. Стінка поділяє обсяг метантенка на дві половини. Для метантенка з фіксованим куполом поділ обсягу не використовується. Це тим, що діаметр метантенків з фіксованим куполом зазвичай більше, ніж в моделей з плаваючим газгольдером. Тому проблема з частковою циркуляцією субстрату не виникає.

Газгольдер або ємність для зберігання біогазу

У разі плаваючого газгольдера останній є барабаном, зробленим або зі сталевих листів, або залізобетону, або різних видів пластику. Він розміщується у верхній частині метантенка як кришка, занурюючись бічними стінками субстрат. За відсутності біогазу він стоїть на спеціальних ребрах на стінках метантенка, передбачених для цієї мети. Газ, утворюючись у субстраті та піднімаючись нагору, збирається в барабані. Для подачі газу трубопроводом до місця використання після відкриття клапана, всередині газгольдера необхідний тиск 8-10 см водяного стовпа. Цей тиск може бути забезпечений вагою газгольдера 80-100 кг/м2.

Під час руху вгору і вниз газгольдер направляється центральною напрямною трубою. Газ замкнений з усіх боків крім нижньої частини. Корка, що утворюється на поверхні, перемішується за допомогою обертання газгольдера, що має всередині пристрій для перемішування. Обсяг газгольдера індивідуального БУ з плаваючим газгольдером становить 50% добового виробництва біогазу. Тобто газгольдер може бути повністю наповнений за 12 годин роботи установки.

У разі конструкції з фіксованим куполом газгольдер часто називають камерою для зберігання біогазу. У цьому випадку камера є невід'ємною частиною установки (метантенка) і виготовлена ​​з тих же матеріалів, що і метантенк. Об'єм камери відповідає 33% добового виробництва біогазу. Тобто камера може бути повністю наповнена за 8 нічних годин, коли біогаз не використовується.

Система загрузки

У БО з плаваючим газгольдером система завантаження є трубою, виготовленою з цементу. Труба опускається на дно метантенка і розташовується по одну сторону від розділової стінки (якщо є). Верхня частина труби виходить у змішувальну ємність. У деяких випадках (конструкція з фіксованим куполом) система завантаження є ємністю, виконаною з бетону або цегли, з'єднаною у верхній частині зі змішувальною ємністю, а в нижній - з впускним отвором метантенка.

Система вивантаження

У разі БУ з плаваючим газгольдером система вивантаження зброженого гною зазвичай є бетонною трубою, встановленою під кутом і зануреною в гнойову масу. Іноді система вивантаження є прямокутним або напівсферичним резервуаром, з'єднаним в нижній частині з метантенком за допомогою випускного отвору, через яке автоматично видаляється зброджена маса. Верхня частина резервуара накрита кришкою.

Змішувальна ємність

Змішувальна ємність являє собою циліндричний резервуар, необхідний для перемішування гнійних стоків з необхідною кількістю води для отримання однорідної маси з певним вмістом сухої речовини. Інтенсивне перемішування субстрату перед завантаженням допомагає збільшити ефективність зброджування. Зазвичай перемішування досягається за допомогою мішалки-пропелера, що обертається, встановленої в резервуарі.

Випускний трубопровід біогазу

Випускна біогазова труба виготовляється з металу або пластику і встановлюється у верхній частині плаваючого газгольдера або купола. Цією трубою біогаз подається до місця утилізації. У трубі встановлюється запірний клапан для регулювання або припинення подачі біогазу.

Класифікація біогазових установок

Малі біогазові установки можна умовно розділити на наступні категорії: БУ з плаваючим газгольдером, БУ з твердим куполом, БУ з окремим газгольдером та БУ з м'яким газгольдером.

БУ з плаваючим газгольдером

Така конструкція є звичайною в Індії і є системою з напівпостійним завантаженням сировини. Зазвичай у ній використовується газгольдер циліндричної форми, що плаває в метантенці, що має відповідну форму. У процесі утворення біогаз накопичується в газгольдер при тиску 8-10 см водяного стовпа. Об'єм газгольдера підбирається таким чином, щоб вміщати половину добової кількості біогазу. Якщо біогаз не використовується регулярно, його надлишки потраплятимуть в атмосферу, проникаючи у вигляді бульбашок газу між нижньою кромкою газгольдера та стінками метантенка.

БУ з твердим куполом

БУ із твердим куполом з'явилися в Індії в середині 70-х років. Така конструкція була запозичена з Китаю. Китайські СУ, що з'явилися прототипом, використовують як сировину сезонні відходи рослинництва, і з цієї причини засновані на принципі напівпорційного завантаження. Однак індійські СУ відрізняються від китайських, оскільки в Індії основним джерелом сировини є гній і, як наслідок, використовується напівпостійне завантаження. Тиск біогазу всередині китайських установок може бути в діапазоні від нуля до 150 см водяного стовпа. Зазвичай тиск контролюється за допомогою простого манометра, встановленого на вихідній трубі поблизу місця утилізації біогазу. В індійських установках тиск може змінюватись у межах від нуля до 90 см водяного стовпа.

БУ з окремим газгольдером

Метантенк такої установки є герметичною ємністю. Вихідний отвір для біогазу знаходиться у верхній частині метантенка і з'єднаний за допомогою трубопроводу з плаваючим газгольдером, розташованим на певній відстані від метантенка. Таким чином, всередині метантенка немає надлишкового тиску, внаслідок чого знижено ймовірність витоків субстрату у разі негерметичності основної ємності установки. Іншою перевагою такої системи є можливість підключення кількох метантенків до одного великого газгольдер, побудованого в безпосередній близькості від місця використання біогазу. Недоліком є ​​відносна дорожнеча. Зазвичай загальний газгольдер використовується для підключення кількох метантенків із напівпорційним завантаженням.

БУ з м'яким газгольдером

Основна частина такої установки, включаючи метантенк (реактор), зроблена з гуми, щільного пластику або неопрену. Вхідна та вихідна труби для сировини та збродженої маси виготовлені з полівінілхлориду (ПВХ). Подібна труба меншого діаметра використовується для випуску біогазу. Така установка легко перевозиться та просто встановлюється. При установці та частина, в якій буде субстрат, що зброджується, повинна підтримуватися зовні. Зазвичай СУ поміщають у спеціальну ємність, заглиблену в ґрунт.

Глибина ємності відповідає при цьому глибині реактора. Таким чином, рівень зброджуваної маси відповідає рівню ґрунту. Для того, щоб створити надлишковий тиск у газгольдері, на ньому розміщується спеціальний вантаж. Перевагою такої установки є можливість серійного виробництва. Недоліком є ​​відносна дорожнеча пластику та гуми гарної якості. Більше того, тривалість експлуатації такої установки менша, ніж у звичайних біогазових установок. Тому, незважаючи на хороший потенціал, подібні біогазові установки поки не набули широкого поширення.

8. Отримання електроенергії з біомаси

Історично однією з перших альтернатив використання викопного палива для виробництва електроенергії стала деревина, що спалюється в котлах для виробництва пари, яка в кінцевому підсумку приводить в дію генератор електричного струму. Під час використання деревини виникають проблеми, пов'язані з властивостями цього виду палива. Деревина має бути подрібнена, вивезена з лісу та подана в котел. У процесі експлуатації необхідний постійний контроль, зокрема, потрібне видалення золи. Можливі проблеми з накопиченням твердих і рідких/напіврідких незгорілих продуктів у камері згоряння. Будь-який оператор повинен розуміти, чим деревина відрізняється від інших видів палива.

Газифікація

Зазвичай електроенергію з деревини одержують шляхом використання парових турбін конденсаційного типу. При цьому біомаса спалюється в котлі для виробництва пари, який, потрапляючи в турбіну, надає руху генератору. Технологія добре відома, перевірена та дозволяє використовувати широкий діапазон палив. Однак обладнання порівняно дороге, а ефективність порівняно низька. При цьому можливості покращення цих параметрів у майбутньому обмежені.

Існують також проблеми, пов'язані з використанням пари. При атмосферному тиску пара займає об'єм у 1200 разів більший за об'єм води. Виробництво пари вимагає нагрівання води вище за температуру кипіння під тиском. Вода кипить при температурі 100 ° C на рівні моря. Підтримка у котлі високого тиску дозволяє значно підняти температуру кипіння. Збільшення температури пари необхідно для того, щоб збільшити його корисну роботу. Пара низької температури буде просто конденсуватися в паропроводах та циліндрах турбіни.

Новітнім способом отримання електроенергії з біомаси є газифікація. У цьому випадку замість простого спалювання твердого палива частина його перетворюється на газоподібну форму, що містить 65-70% енергії вихідного палива. Отримані горючі гази можуть використовуватися аналогічно природному газу для виробництва електроенергії, як паливо для автомобілів, промисловості, або для отримання синтетичних видів палива. Технологія знаходиться на стадії інтенсивних досліджень.

Багатообіцяючою альтернативою є термохімічна газифікація біомаси в умовах обмеження кількості повітря та використання одержуваних газів у газових турбінах. Газові турбіни відносно дешеві, ефективніші та мають гарні перспективи покращення обох показників.

Газифікатори біомаси зазвичай мають чотири основні складові:

• Система підготовки та подачі палива.
• Реактор.
• Газоочищення, система охолодження та перемішування.
• Енергетична установка, наприклад, двигун внутрішнього згоряння (ДВС) з генератором або насосною установкою, або газовий пальник у котлі або печі.
• Використання газу в ДВЗ з подальшим виробництвом електроенергії пред'являє жорсткі вимоги до газифікатора та якості одержуваних газів. Необхідність очищення, охолодження та перемішування газу робить технологію досить складною. Досвід експлуатації подібних пристроїв у світі показав, що вони чутливі до зміни параметрів палива, зміни навантаження обладнання, якості обслуговування та умов навколишнього середовища.

До газифікаторів, які використовуються тільки для виробництва тепла, не пред'являються настільки жорсткі вимоги, тому їх легше проектувати та експлуатувати, вони дешевші та ефективніші з енергетичної точки зору.

Всі типи газифікаторів вимагають використання палива з низькою вологістю та малим вмістом летючих компонентів. Тому деревне вугілля гарної якості є найкращим видом палива. Однак його використання вимагає додаткового обладнання, що знижує загальну ефективність методу.

У найпростішій газовій турбіні з відкритим циклом гарячі гази викидаються безпосередньо в атмосферу. Інший можливістю є їх використання для пари за допомогою утилізатора тепла. Пара може використовуватися для обігріву в когенераційних системах, а саме для повторного впорскування газової турбіни. Це призводить до збільшення виробництва енергії та підвищення загальної ефективності системи (цикл STIG - газові турбіни з інжекцією пари в парових турбінах та цикл GTCC - комбінований газопаровий цикл).

Природний газ є кращим паливом, тому деякі постачальники майбутнього обладнання мають стимули витрачати мільйони доларів на дослідження та розвиток термохімічної газифікації вугілля для постачання газових турбін. Більшість цих робіт застосовується до систем, що об'єднує газифікацію біомаси та газові турбіни (BlG/GTs). Біомасу легше газифікувати, ніж вугілля. До того ж, вона має менший вміст сірки. Використання технологій BlG/GTs для когенерації, а також для виробництва електроенергії в багатьох випадках може виявитися дешевшим, ніж використання для цих цілей великих централізованих вугільних теплових станцій, для яких необхідно проводити сіроочищення, а також атомних та гідростанцій.

Газифікатори, що використовують деревину та деревне вугілля, стають комерційним продуктом. У деяких країнах проводяться дослідження щодо використання інших видів біомаси (відходів) як паливо. При цьому необхідно вирішити проблеми чутливості газифікаторів до зміни параметрів палива, деякі технічні складності та відповідність екологічним вимогам. Капітальні витрати може бути значно зменшено у разі використання для будівництва місцевих матеріалів. Наприклад, вартість газифікатора, побудованого із залізобетону в Азіатському технологічному інституті (Бангкок) виявилася вдесятеро меншою за західні аналоги. Для країн, що розвиваються, багатообіцяючою перспективою є використання технології BlG/GTs для потреб цукрової промисловості та виробництва етанолу.

Велика увага газифікації приділяється в Індії, тому що тут є база для широкомасштабної комерціалізації. Газифікація біомаси може задовольнити багато потреб енергії, особливо в аграрному секторі. Детальний мікро- та макроекономічний аналіз (Jain, 1989) показав, що в Індії загальний потенціал газифікації біомаси міг досягти в 2000 від 10000 до 20000 МВт встановленої потужності. Сюди могли б входити як малі установки для іригації та електрифікації сіл, так і великі промислові енергоустановки та електростанції, що працюють на енергетичних плантаціях.

Спільне спалювання

Спільне спалювання, наприклад, газифікованої біомаси та вугілля є гарною можливістю зменшення атмосферної емісії на вугільних електростанціях. У 1999 році нова установка для спільного спалювання біомаси та вугілля була запущена у місті Zeltweg (Австрія). Газифікатор біомаси потужністю 10 МВт було встановлено на існуючій вугільній електростанції. Газифікатор споживає 16 м3 біомаси (тріска та кора) на годину. Теплотворна здатність одержуваного газу перебуває у діапазоні 2,5 - 5 МВт/м3. Проект, що отримав назву Biococomb, був демонстраційним проектом ЄС. Він був реалізований компанією "Verbund" спільно з іншими компаніями з Італії, Бельгії, Німеччини та Австрії та частково фінансувався Європейською Комісією.

Когенерація

Спалення біомаси та газові турбіни

У розвинених країнах існує тенденція збільшення кількості малих і більш гнучких установок для спільного виробництва тепла та електроенергії, які використовують біомасу як паливо. Одним із найновіших представників цього типу пристроїв є когенераційна станція в місті Ноксвілл (Knoxville, штат Теннесі, США). Установка поєднує топку для деревини та газову турбіну. Перед турбіною гарячі гази під тиском проходять крізь фільтр. Установка може працювати на свіжій тирсі (40% вологості). При електричній потужності 5,8 МВт установка споживає 10 тонн тирси на годину. Тепло відноситься з вихлопними газами, що мають температуру 370°C. Електричний ККД дорівнює 19%, а загальний ККД – 75%. Вихлопні гази можуть використовуватись у паровій турбіні, збільшуючи електричну потужність до 9,6 МВт, а електричний ККД – до 30%. Встановлення в Ноксвілл працює з 1999 року.

9. Керівництво для оцінки потенціалу, бар'єрів та доцільності використання біомаси

Невикористаний потенціал лісу та деревини

Більшість промислових лісів у Європі мають невикористаний потенціал деревини для енергетичного застосування. Крім того, в більшості лісів деревина заготовляється промисловим способом. Гірські та інші непромислові ліси також за певних умов можуть постачати енергетичну деревину, але після акуратної екологічної оцінки. Звичайним видом лісових відходів є гілки діаметром менше ніж 7 сантиметрів. Зазвичай листя і коріння залишаються у лісі. Крім того, їх важче використовувати для виробництва енергії.

Спалювання більшої кількості деревини не є єдиним рішенням. Потрібно збільшувати ефективність процесу. Традиційні котли та печі у багатьох випадках мають ефективність менше 30%, тоді як для сучасних пристроїв ця величина дорівнює близько 80%. Збільшення ефективності може принаймні подвоїти споживання енергії без збільшення кількості палива, що спалюється. Для великих пристроїв подальша утилізація тепла з димових газів може збільшити ефективність. В окремих випадках деревоспалювальні котли можуть бути заміщені газифікаторами на деревині, що працюють спільно з газовими двигунами, або паровими котлами з турбінами для спільного виробництва електрики та тепла (когенерація).

Вміст енергії

Вміст енергії в абсолютно сухій деревині дорівнює близько 5,2 кВт·год/кг. У звичайній сухій деревині (20% вологості) вміст енергії близько 4,2 кВт·год/кг (нижня теплотворна здатність). Зазвичай, статистика вимірює деревину в кубометрах (з корою або без неї). Щільність сухої деревини варіюється від 800 кг/м3 для листяних твердих порід (наприклад, бук) до 600 кг/м3 для хвойних порід (сосна). Звідси вміст енергії складає відповідно 3400 та 2500 кВт/м3 для бука та сосни (нижня теплотворна здатність, вологість 20%). У котлах з конденсаторами димових газів може бути використано до 80-90% від верхньої теплотворної здатності, яка приблизно на 4 і 10% вище за нижню теплотворну здатність для деревини, що має вологість 20 і 40%.

Оцінка ресурсів

Доступна кількість деревини може бути оцінена лісовою статистикою як різниця між щорічним приростом (у м3, включаючи кору) та щорічним споживанням ділової та неділової деревини, не пов'язаним із виробництвом енергії. Кількість кори оцінюється величиною 20% від решти деревини. Часто статистика має у своєму розпорядженні дані тільки про комерційне споживання деревини. У цьому випадку до них потрібно додати некомерційне використання. Останнє часто включає збирання деревини місцевими жителями для опалення. І тут може бути враховано в енергетичному потенціалі. Насправді ресурси можуть бути меншими за отриману оцінку через необхідність повного або часткового видалення гілок з екологічних причин. Ці фактори можуть зменшити потенціал на 50% навіть у комерційних лісах.

Якщо статистика лісу неповна або інформація ненадійна, можна зробити прості оцінки:

Якщо є інформація лише для комерційної деревини, то потенціал деревних відходів можна оцінити як частку від комерційного використання. Відповідно до Датського досвіду, кількість деревини для переробки на тріску (гілки менше 7 см у діаметрі) становить 25% від виробництва ділової деревини, включаючи кору, та 31% без кори.

Деякі оцінки можна зробити, виходячи з площі комерційного лісу. Оцінки, зроблені в Німеччині (Західній), дають щорічний приріст 10-15 т/га із вмістом енергії 150-225 ГДж/га (42-63 МВт·ч/га). Якщо 3/4 цієї кількості використовується для виробництва ділової деревини, то наявні відходи містять 40-60 ГДж/га енергії (11-16 МВт·ч/га). Оцінки кількості лісових відходів, зроблені на Датському острові Борнхольм, показують, що кількість відходів, придатних для практичного використання (менше 7 см у діаметрі) становить 1,7 т/га, що еквівалентно 18 ГДж/га (5 МВт·ч/га) при 40% вологості або 25 ГДж/га (7 МВт·ч/га) при 20% вологості. Ці оцінки не враховують такі важливі фактори, як клімат чи вид ґрунту, а отже, і реальну продуктивність лісу.

Бар'єри

Загалом бар'єрів у використанні деревини для опалення не існує. Проте, ефективне використання деревини потребує наявності ефективних печей та базових знань споживачів. Використання тріски вимагає наявності обладнання для виробництва тріски, зберігання, сушіння та подачі у відповідні котли. Для успішного використання тріски як джерело тепла такий виробничий ланцюжок повинен бути створений на місці. Тріска більш придатна для великих котлів (близько 100 кВт). Тріска часто має велику вологість (40-60%). У таких випадках краще використовувати котли з конденсаторами димових газів.

Вплив на економіку, довкілля та зайнятість населення

Економіка

Використання дров та тріски засноване на місцевих ресурсах, потребує мінімальних транспортних/імпортних витрат і тому є дешевим у порівнянні з використанням викопного палива. Оцінка вартості палива, зроблена в Данії без урахування транспортних витрат та прибутку, дає для листяних порід (760 кг/м3) 240 дат. крон на м3. Це еквівалентно 0,11 ДКр/кВт·год (0,0203 $/кВт·год). Близько 2/3 цієї ціни становить зарплата робітників, решта – вартість механізмів та сировини.

Екологія

Використання деревини, що заміщає викопне паливо, зменшує емісію СО2, тому що ліси протягом життя поглинають ту саму кількість СО2, що виділяє деревина в процесі горіння. Енергія, що витрачається на підготовку палива, не перевищує кількох відсотків від тепла. При спалюванні деревини виділяється набагато менше оксиду сірки (SO2) порівняно зі спалюванням вугілля. Емісія NOx залежить від процесу спалювання, і часто через відносно низькі температури горіння кількість оксидів азоту менше, ніж при спалюванні вугілля або мазуту. Емісія частинок і вогневоднів, що не згоріли, залежить повністю від процесу горіння і може бути проблемою для малих і неякісних котлів. Зола, що залишається після спалювання, часто може використовуватися як добрива. Важливо, щоб заготівлі лісу проводилися адекватно та супроводжувалися відповідними заходами щодо відновлення лісових запасів.

Зайнятість населення

Відповідно до французького досвіду, утилізація енергії лісових відходів вимагає 450 робочих місць на 1 ТВт·год отриманої енергії при рівні механізації, звичайному для Західної Європи.

Правило

Кожен гектар лісу на добрих ґрунтах дає 10 т/га деревини на рік. Якщо 25% деревини є відходами і може бути використане для виробництва енергії, то енергетичний вихід становитиме 11 МВтч (при 20% вологості).

Відходи деревопереробної промисловості

У процесі переробки на деревообробних (ДОК) та паперових комбінатах виникають відходи деревини, які можуть використовуватись для енергетичних цілей. На ДОК це переважно кора та тирса. На паперових комбінатах (виробництво целюлози та паперу) - це різні, у тому числі розчини, що містять солі сірчаної кислоти, а також залишки деревини та кори. Крім кори та тирси, на ДОК є верхівки дерев, сучча, тріска та інші відходи. Частина цих відходів використовується для виготовлення деревоволокнистих плит. Аналіз, проведений у семи країнах, показав, що 30-70% відходів деревопереробної промисловості використовують для неенергетичних цілей.

З відходів великого розміру може бути отримана тріска для використання у відповідних котлах, тоді як тирса може спалюватися в спеціальних печах або використовуватися для виготовлення гранул або брикетів з подальшим використанням у малих котлах або печах. Найчастіше відходи використовуються для задоволення власних потреб у теплі, парі або, у деяких випадках, в електриці.

Вміст енергії

Вміст енергії в деревних відходах дорівнює близько 4,2 кВт·год/кг (нижня теплотворна здатність, 20% вологості), що відповідає 3400 і 2500 кВт·год/м3 для бука та сосни (дивіться попередній розділ).

Оцінка ресурсів

Оцінка потенціалу деревних відходів може бути заснована на статистичних даних про продаж неенергетичної деревини та загальної кількості деревини, вивезеної з лісу. Різниця між цими величинами може бути використана в енергетичних цілях і, певною мірою, в деревопереробній промисловості. Для спрощених оцінок можна вважати, що відходи становлять 25-35% від загальної кількості вивезеної з лісу деревини: наприклад, у Польщі – 29%, Канаді – 29%, Фінляндії – 33%, Швеції – 36%, США – 37% (за даних Biofuels). Якщо більша частина деревини експортується без попередньої обробки, ця частка може бути нижчою.

Бар'єри

З цим видом ресурсів пов'язана найменша кількість бар'єрів у порівнянні з іншими видами відновлюваних джерел енергії. Однак, для їх використання необхідні інвестиції в нові котли або, принаймні, в передтопки для кращих зразків котлів.

Вплив на економіку, довкілля та зайнятість населення

Економічні параметри енергетичного використання промислових деревних відходів практично завжди є більш привабливими, ніж при використанні лісових відходів.

Екологічний ефект від спалювання такий самий, як від лісової деревини за умови, що хімічно просочена та пофарбована деревина не використовується. З останньої необхідно поводитися як з побутовими чи хімічними відходами залежно від виду обробки.

Пряме збільшення робочих місць через використання деревних відходів невелике, тому що відходи повинні перероблятися у будь-якому випадку. Непрямим чином воно створює велику зайнятість населення, оскільки відбувається перетворення непридатного матеріалу на цінний продукт (енергію).

Відходи сільського господарства, що спалюються

Солома, гілки фруктових дерев, відходи виробництва вина та рослинної олії є відходами, які можуть використовуватися для отримання енергії. Урожай соломи значною мірою залежить від погодних умов і може значно змінюватися рік у рік. Якщо неенергетичні потреби використовується більшість соломи, то періоди малої врожайності необхідно враховувати необхідність використання альтернативного палива. Таким паливом може бути тріска з деревних залишків, яка є придатною для використання в багатьох котлах. Лісові відходи можуть перебувати у лісі кілька років перед використанням. Надлишки соломи можуть заорюватися в ґрунт для покращення шару гумусу на полях.

Вміст енергії

Верхня теплотворна здатність соломи (суха речовина) становить 4,9 кВт·год/кг. Для типової вологості 15% нижня теплотворна здатність становить 4,1 кВт·год/кг

Кількість енергії, що міститься в 1 м3 ущільненої тюкованої соломи, становить 500 кВт·год (щільність 120 кг/м3). Середній тепловий ККД для 22 станцій соломи в Данії дорівнює 80-85% без урахування конденсації димових газів.

Оцінка ресурсів

Оцінку загальної кількості соломи можна отримати за допомогою сільськогосподарської статистики. Для визначення енергетичного потенціалу соломи отримане значення має бути зменшено на величину, що використовується для корму худоби та підстилки. Таке споживання соломи значною мірою залежить від умов утримання худоби. У Данії середній надлишок соломи оцінюється у 59%, з яких 1/5 частина вже використовується (в основному для виробництва тепла). У Східній Богемії надлишок соломи оцінюється у 35%. За загальним консервативним оцінкам, у Європі виробництва енергії може використовуватися 25% соломи. Виробництво соломи може змінюватись у межах 30% від середньої величини.

Якщо кількість соломи не може бути визначена за статистичними даними, можна використовувати статистику для врожаю зернових. Існують орієнтовні оцінки відношення кількості зерна та відповідної йому кількості соломи. У Чеській Республіці прийнято такі відносини кількості соломи та зерна:

• пшениця - 1,3 тонни соломи/тонну зерна;
• ячмінь - 0,8 тонни соломи/тонну зерна;
• жито - 1,4 тонни соломи/тонну зерна;
• овес - 1,1 тонни соломи/тонну зерна.

Грубі оцінки також можна зробити на підставі площі земель та продуктивності соломи від 4 до 7 тонн/га залежно від типу ґрунту, погодних умов та типу зернової культури.

Бар'єри

Обмеженість досвіду та фінансових ресурсів для необхідних інвестицій найчастіше є найбільшим бар'єром для енергетичного використання соломи. Іншими бар'єрами можуть бути:

• необхідність розвитку ринку соломи з привабливими цінами як для споживачів, так і для постачальників;
• у деяких випадках наявність пестицидів може призвести до підвищеного вмісту хлору в соломі. Це зводиться до мінімуму, якщо солома витримується на полях протягом певного періоду (в'янення);
• використання соломи в непридатних котлах, що забруднюють довкілля, може створити соломі "погану репутацію".

Економіка

У Данії ціна на солому варіюється між 0,085 ДКр/кВт·год (1,2 євроцента) до 0,12 ДКр/кВт·год (1,7 євроцента) для тюків, доставлених на станцію соломи. У Чеській республіці ціна соломи на фермах дорівнює 0,15 євроцент/кВт·год для незібраної соломи та 0,19 євроцент/кВт·год для соломи у пакунках.

Питомі витрати на 1 кВт·год виробленого тепла, усереднені для 16 установок у Данії, наведено у таблиці:

* споживання електроенергії дорівнює в середньому 2,3% від виробленого тепла.

Екологічне вплив використання сільськогосподарських відходів анологічне використання деревини - зменшення емісії СО2 та сполук сірки порівняно зі спалюванням вугілля чи нафти. Емісія пилу, NOx та летких органічних речовин залежить від конструкції топки та очищення димових газів. Як згадувалося вище, вміст хлору призводить до емісії HCl. Усереднені величини емісії для 13 датських соломосжигающих станцій наведені в таблиці (усі станції мають пиловловлювачі).

* PAH = Поліароматичні вуглеводні, що являють собою канцерогенний компонент летких органічних сполук.
** дані ґрунтуються на результатах двох вимірювань

Зайнятість населення

Безпосередня зайнятість населення для збирання соломи в умовах механізованого сільського господарства Данії оцінюється у 350 робочих місць на 1 ТВт·год виробленого тепла. Оцінка зроблена для великих тюків вагою 500 кг. Для тюків меншого розміру (10-20 кг) кількість необхідних трудових ресурсів вища.

Енергетичні рослинни

За існуючими оцінками, 20-40 мільйонів гектарів землі у Західній Європі надмірні з погляду традиційного сільськогосподарського виробництва. Аналогічна ситуація (перевиробництво та надлишок земель) очікується у Центральній Європі. Надлишкові землі можуть бути використані для різноманітних цілей, однією з яких є вирощування енергетичних культур.

Багатообіцяючими для енергетичних цілей культурами в Європі є швидкорослі дерева (плантації різних видів верби і тополі), міскантус (Miscanthus) і сорго (Sweet Sorghum). Вирощені рослини можуть використовуватися для спалювання та виробництва тепла та електроенергії. Іншою перспективною можливістю є виробництво рідких палив, наприклад, з ріпаку.

Плантації верби

Теплотворна здатність та врожайності

Наступна таблиця дає уявлення про енергетичну ефективність трьох видів енергетичних рослин, що використовуються для виробництва твердого палива.

* Приріст верби становить 2-3 метри на рік (2-3 сантиметри на день у літній період). Збирання врожаю - кожні три роки.

Міскантус

Іншою цікавою культурою є коноплі, врожайність якої становить 24 т/га при вирощуванні протягом 4 місяців. Однак плантації конопель заборонені в багатьох країнах, незважаючи на те, що деякі її види непридатні для виробництва наркотичних речовин.

Оцінка ресурсів

Енергетичний потенціал може бути оцінений за кількістю землі в країні/регіоні, яку можна використовувати для енергетичних плантацій та врожайності рослинних культур в умовах місцевого клімату та якості ґрунту. У багатьох країнах є інформація про врожайність різних рослин. Використання надлишків фермерських земель та непридатних деградуючих земель є пріоритетним.

Важливою характеристикою в оцінці потенціалу є ставлення вхід/вихід (I/O). Наприклад, якщо жом (багаса) сорго (2/3 енергії) та цукор (1/3 енергії) використовуються для отримання енергії, відношення (I/O) становить 1:5. Це означає, що може бути отримано в 5 разів більше енергії при використанні рослини як палива, ніж витрачено на посівні роботи, добрива та пестициди, збирання врожаю, транспортування та підготовку палива. Зазвичай це ставлення більше, ніж 1:5 для дерев і менше для рослин, що використовуються для отримання рідких видів палива.

Бар'єри

Швидкорослі рослини вимагають більшої кількості добрив у порівнянні з традиційними рослинними культурами. Використання деградованих земель також передбачає попередню регенерацію за допомогою добрив. Для деревних видів ця умова не є жорсткою, оскільки дерева мають кореневу систему, що зберігає активність протягом року. Крім того, деревна зола може використовуватися як ефективне добрива на енергетичних плантаціях, зменшуючи проблему потрапляння добрив у ґрунтові води.

Вплив на економіку, довкілля та зайнятість населення

Витрати на виробництво однієї (сухої) тонни сорго становлять 50 Євро, а на виробництво однієї (сухої) тонни верби Salix складають 70 Євро (Данія, Hvidsed).

• Витрати на виробництво електроенергії з біомаси (сорго)
• Тип встановлення
• Малі, 1992 рік : 0,16 Євро/кВт·год
• Великі, 2000 рік: 0,08 Євро/кВт·год
• Малі покращені, 2000 рік : 0,07 Євро/кВт·год
• Великі покращені, 2000 рік : 0,05 Євро/кВт·год

Екологія

Важливою особливістю верби є те, що вона може бути використана для очищення води. Можливе комплексне використання енергетичної верби в системах очищення води. Іншими перевагами енергетичних плантацій є: контроль лісових пожеж, зменшення ерозії ґрунту, поглинання пилу, а також заміщення використання викопного палива, що призводить до зменшення емісії сірки та оксидів азоту.

Зайнятість населення

Половину витрат на вирощування сорго складає оплата трудових ресурсів. Додаткове виробництво 500 тонн сухої біомаси на рік створює одне робоче місце. Інші додаткові робочі місця можуть бути створені в суміжних областях - компостування, виробництво паперу, сервісні організації.

Деякі правила:

Вихід сорго для різних регіонів Центральної та Південної Європи: щорічно може бути виготовлено 90 тонн сирої маси на гектар = 25 тонн сухої біомаси = 450 ГДж або 11 тонн нафтового еквівалента. При цьому 1/3 виходить у вигляді етанолу із цукру, а 2/3 у вигляді твердого палива з багасси. Така кількість енергії відповідає поглинанню 30-45 тонн СО2 на гектар на рік. Середнє річне споживання електроенергії однією людиною в Західній Європі може бути забезпечене вирощуванням тополі на площі 0,25 га.

Біогаз

Найбільший потенціал біогазу в Європі становлять гною стоки в сільському господарстві. Іншими джерелами сировини є:

• Опади після механічного або біологічного очищення стічних вод (осад після хімічного очищення часто утворює лише малу кількість біогазу).
• Побутові відходи органічного походження.
• Органічні відходи промисловості, наприклад, м'ясопереробної або харчової.

Необхідні застереження для того, щоб при переробці не використовувалися відходи, що містять важкі метали або шкідливі хімічні речовини, якщо твердий залишок передбачається використовувати як добрива. Однак такі відходи можуть перероблятися в біогазових установках, якщо сухий залишок вважається видом відходів і спалюється.

Іншим джерелом біогазу можуть бути полігони ТПВ, що містять велику кількість органічної матерії. Біогаз може бути зібраний за допомогою буріння свердловин. Таке буріння у будь-якому разі зменшує неконтрольовану емісію метану з тіла полігону.

Вміст енергії

У разі хорошої організації процесу з одного кілограма твердої сухої речовини (TВ) зазвичай виходить близько 0,3-0,45 м3 біогазу (60% метану). Типовий час зброджування становить 20-30 днів за температури 32°C. Нижня теплотворна здатність газу становить 6,6 кВт·год/м3. Кількість біогазу, що отримується, часто наводиться на кілограм летючої твердої речовини (ЛТВ). Вміст ЛТВ у гною, що не містить солому, пісок та інші подібні домішки, зазвичай становить 80% від твердої речовини (ТВ).

Біогазові установки мають власне споживання енергії для підтримки підвищеної температури в метантенку. Для БУ із вдалою конструкцією власне споживання енергії становить 20% від отримуваної енергії. У разі використання біогазу для одночасного виробництва електричної та теплової енергії (когенерація), 30-40% енергії перетворюється на електричну енергію, 40-50% - на теплову, а частина, що залишилася, споживається на власні потреби.

Оцінка ресурсів

Оцінку кількості гною можна здійснити, використовуючи дані про поголів'я худоби. Оскільки кількість гною залежить від кількості та типу одержуваних кормів, необхідно використовувати середні дані для кожної країни.

У таблиці наведено дані для Данії:

* біогаз із 65% метану

Для оцінки річної продуктивності необхідно оцінити тривалість утримання тварин у приміщенні. Для великих птахоферм та свиноферм вона часто дорівнює цілому році, тоді як корови можуть утримуватися на прив'язі від кількох місяців на рік до цілого року.

Для орієнтовної оцінки кількості гною телят, свиней та птиці можуть бути зроблені такі припущення:

• Телята 1-6 місяців: 25% від кількості гною молочних корів.
• Інші види телят (телята > 6 місяців, м'ясна худоба, матки): 60% від кількості гною молочних корів.
• Поросята 5-15 кг: 28% від кількості гною свиноматки.
• Свині на вирощуванні > 15 кг: 52%.
• Птах на вирощуванні: 75% від дорослого птаха.

Бар'єри

Наявність бар'єрів стримує великомасштабний розвиток біогазових установок у країнах CEEC:

Важко зробити біогазові установки окупними, якщо єдиним джерелом прибутку є продаж енергії. Застосування СУ стає привабливим після врахування ефектів обробки гною. Це можуть бути поліпшення умов гігієни, простота поводження, зменшення запаху та переробка промислових відходів. брак знань про СУ в середовищі керівників та організаторів.

Вплив на економіку, довкілля та зайнятість населення

Економіка

Економічні параметри СУ визначаються високими інвестиційними витратами, помірними витратами на експлуатацію та технічне обслуговування, практично безкоштовною сировиною та доходом, що отримується від продажу біогазу або електроенергії та тепла. Іноді до цього можна додати інші параметри, наприклад перетворення відходів на корисне добриво.

Наприклад, у Чеській Республіці вартість біогазової установки, здатної переробляти гній від 100 корів, оцінюється у 70 000 доларів. Ця установка вироблятиме 220 МВт·год на рік та енергію для власного нагрівання. У результаті необхідні інвестиції дорівнюють 0,32 доларів на кВт·год/рік. Нові датські біогазові установки мають схожі економічні характеристики. За існуючими оцінками, спільне чесько-датське підприємство могло б зменшити ціну на 40% (до 0,2 доларів на кВт·год/рік), проте ці оцінки не були підтверджені на практиці.

Річні витрати на експлуатацію та технічне обслуговування зазвичай дорівнюють 10-20% від загальної вартості. Вони залежать від організації, рівня зарплати, типу установки та транспортних витрат. Якщо витрати на експлуатацію та технічне обслуговування дорівнюють 10% від вартості на рік і потрібно, щоб термін окупності установки не перевищував 10 років, ціна на електроенергію має бути на рівні 0,04-0,06 $/кВт·год (відповідно до наведеного) прикладом із Чехії за умови, що зброджений залишок не продається як добрива).

До екологічних впливів БО на навколишнє середовище належать:

• Виробництво енергії, що заміщає викопне паливо, зменшення емісії СО2.
• Зменшення запаху та покращення гігієнічних умов.
• Переробка певного виду органічних відходів, що в іншому випадку може спричинити екологічну проблему.
• Зменшення емісії метану через неконтрольоване анаеробне розкладання гною.
• Спрощення поводження з гною, перетворення частини гною на добриво та зменшення використання штучних добрив.

Зайнятість населення

Пряма зайнятість населення Данії на біогазових установках оцінюється величиною 560 робочих місць на 1 ТВт·ч вироблену енергію, у тому числі 420 зайняті експлуатацією та обслуговуванням, а 140 - на будівництві (2000 человеко-лет створення установок, які виробляють 1 ГВт В· і мають період експлуатації 14 років). Ця оцінка правильна для механізованих систем із ознаками централізації, тобто частина гною транспортується до встановлення від сусідніх ферм.

Концепція розвитку біоенергетики в Україні

Виробництво енергії з відновлюваних джерел динамічно розвивається у більшості Європейських країн. У 1995 р. у країнах ЄС частку відновлюваних джерел енергії (ВІЕ) припадало 74.3 млн т нафтового еквівалента (т. е.), що становило близько 6% загального споживання первинних енергоносіїв (ОППЭ) (Таблиця 1). З них частку біомаси припадало понад 60%, що еквівалентно близько 3% ОППЭ. В окремих країнах внесок біомаси в ОППЕ значно перевищує середньоєвропейський: у США її частка становить 3.2%, у Данії – 8%, в Австрії – 11%, у Швеції – 19%, у Фінляндії – 21%. Відповідно до програми розвитку ВДЕ (White Paper), у країнах ЄС біомаса покриватиме близько 74% загального вкладу ВДЕ у 2010 р, що буде еквівалентно близько 9% ОППЕ. Очевидно, що біомаса становить найбільш розвинений сектор ВІЕ, що поступово зростає, в ЄС.

Таблица 1. Вироблення теплової та електричної енергії з відновлюваних джерел енергії у країнах ЄС

Біомаса сьогодні є четвертим за значенням паливом у світі, даючи щороку 1250 млн т у.т. енергії та становлячи близько 15% всіх первинних енергоносіїв (у країнах, що розвиваються, - до 38%).

Використання ВДЕ в Україні становить на сьогоднішній день 5.6 млн т у.т., що еквівалентно 2.8% ОППЕ. З усіх ВДЕ частка біомаси є найбільшою після великої гідроенергетики – близько 18% (Таблиця 2). У 2001 р. з біомаси, переважно деревних відходів, було вироблено 29 ПДж теплової енергії, що становило 0.5% ОППЕ.

Таблица 2. Вклад різних ВІЕ у виробництво енергії в Україні (2001 р.)

Україна має досить великий потенціал ВДЕ загалом та біомаси зокрема. У Таблиці 3 представлена ​​структура енергетичного потенціалу біомаси, заснована на ймовірній та оптимістичній оцінці. Обидві оцінки було виконано співробітниками Інституту технічної теплофізики НАН України. Відповідно до оптимістичного прогнозу, загальний потенціал біомаси, доступний для енергетичного використання в Україні, становить 17.6 млн т у.т., ймовірний прогноз дає 10.6 млн т у.т.

В обох випадках основну частину потенціалу складають відходи сільського господарства (солома, стебла, лушпиння тощо). Однією з основних відмінностей між прогнозами є оцінка потенціалу соломи. У ймовірному підході вважається, що лише 20% усієї кількості соломи може використовуватися для енергетичних цілей. Крім того, тут не враховувався потенціал палива із твердих побутових відходів (ТПВ) та біогаз, отриманий зі стічних вод.

Таблица 3. Енергетичний потенціал біомаси в Україні (дані 2001 р.)

* W - масова вологість

Біомаса (без частки, яку використовують інші сектори економіки) може забезпечити 5.3-8.8% загальної потреби України в первинній енергії (з урахуванням різних оцінок енергетичного потенціалу біомаси). Технології утилізації біомаси знаходяться на початку свого розвитку в Україні та мають гарні перспективи комерціалізації у найближчому майбутньому.

Наразі у стадії розгляду знаходиться "Енергетична стратегія України на період до 2030 р. та подальшу перспективу", розроблена групою українських учених за Указом Президента України. Згідно з робочим варіантом Стратегії, частка біомаси в ОППЕ складе 3.4% (2.7 млн ​​т у.т.) у 2010 р., 7.8% (6.3 млн т у.т.) у 2020 р. та 12.6% (9.2 млн т у. т.) у 2030 р. (Таблиця 4).

При розробці концепції розвитку біоенергетики в Україні за основу було прийнято концепцію Данії та ймовірну оцінку енергетичного потенціалу біомаси в Україні. Обидві країни мають відносно малу територію, вкриту лісом (близько 14%) та високорозвинений сільськогосподарський сектор, що призводить до подібної структури потенціалу біомаси у них.

Таблица 4. Використання ВДЕ в Україні згідно з "Енергетичною стратегією України на період до 2030 р. та подальшу перспективу"

Розрив потенціалу біомаси, що не використовується іншими секторами економіки, до енергетичного балансу України є першочерговим завданням, виконання якого реальне протягом найближчих 5-10 років. Серед факторів, які можуть збільшити кількість біомаси, доступної для енергетичного використання в найближчому майбутньому, слід відзначити підвищення врожайності зернових культур (і, відповідно, загального збирання соломи) та зменшення частки соломи, що використовується як грубий корм та підстилка для худоби.

За попередніми оцінками, ці фактори призведуть до дворазового збільшення кількості біомаси, доступної для енергетичного використання. Крім того, для України з її великим потенціалом сільськогосподарських земель дуже перспективним є організація спеціальних енергетичних плантацій швидкого обороту (верба, тополя, міскантус та ін.). Залучення біомаси, спеціально вирощеної на землях, які нині не використовуються чи використовуються неефективно в Україні, призведе до підвищення частки біомаси в енергетичному балансі країни до 20-25%.

В Україні найбільш перспективними для комерційного використання найближчими роками можна вважати такі технології:

• промислові деревоспалювальні котли потужністю 0,1-5 МВт для встановлення в держлісгоспах та на деревообробних комбінатах;
• деревоспалюючі станції централізованого теплопостачання (ЦТ) потужністю 1-10 МВт;
• соломопалювальні фермерські котли та котли для малих тепломереж потужністю 0,1-1 МВт;
• соломоспалювальні станції ЦТ потужністю 1-10 МВт;
• біогазові установки для великих ферм ВРХ, свиноферм, птахофабрик та підприємств харчової промисловості;
• встановлення видобутку та використання біогазу з полігонів ТПВ в міні-електростанціях потужністю 0,5-5 МВт.

Пріоритетного розвитку в Україні потребують технології прямого спалювання деревини, насамперед для виробництва теплоти та технологічної пари. Це пов'язано з досить низькою ціною на електроенергію, яка існує в Україні (0.021 $/кВт·год) і водночас досить високою ціною на паливо та теплову енергію. Впровадження міні-електростанцій та міні-ТЕЦ, що спалюють тверду біомасу (деревину, солому, лушпиння), буде рентабельним у разі значного зростання цін на електроенергію або у разі субсидування. Отримання теплоти з біомаси є економічно рентабельним вже зараз, навіть у разі використання імпортного обладнання. Україна також має достатній технічний потенціал, щоб розпочати власне виробництво дерево- та соломоспалюючих котлів.

Технології спалювання соломи також є дуже перспективними для України. Але широке поширення цих технологій потребує вирішення низки питань організації збору, пресування тюків, транспортування та зберігання соломи. Насамперед найкращі перспективи для впровадження на сільськогосподарських підприємствах мають фермерські котли та котли для малих тепломереж потужністю 0,1-1 МВт. Після демонстрації переваг цих котлів великі станції ЦТ також мають хороші можливості для комерціалізації. Що стосується міні-ТЕЦ на біомасі потужністю 1-10 МВте, ми обмежуємо їх місце у концепції розвитку біоенергетики в Україні двома демонстраційними станціями (одна на деревині та одна на соломі) до суттєвого підвищення тарифів на електроенергію.

Великі біогазові установки також відіграють важливу роль у концепції. Їх широке впровадження можливе на свинофермах із поголів'ям понад 5 тис., фермах великої рогатої худоби (ВРХ) із поголів'ям понад 600 голів, птахофабриках та підприємствах харчової промисловості. За нашими оцінками, в Україні може бути споруджено 2903 біогазові установки із середнім обсягом метантенка 1000 м3, включаючи 295 установок на свинофермах, 130 – на птахофабриках та 2478 – на фермах ВРХ та підприємствах харчової промисловості.

Використання біогазу з полігонів ТПВ є найбільш прибутковим на промислових підприємствах, розташованих неподалік самих полігонів. Якщо неможливо утилізувати біогаз у котлах прилеглої промисловості, найбільш рентабельним його використанням є виробництво електроенергії міні-електростанціями або міні-ТЕЦ на базі газових двигунів внутрішнього згоряння.

Виробництво рідких палив з біомаси малоймовірне в Україні найближчим часом, оскільки їхня собівартість виходить значно вищою за вартість традиційних рідких палив. Основні зусилля у цій галузі необхідно сконцентрувати на дослідницьких та демонстраційних проектах. Те ж саме можна сказати про технології швидкого піролізу та газифікацію біомаси.

У Таблиці 5 представлені дані щодо обладнання, яке може бути встановлене в Україні в рамках реалізації розробленої концепції. Зниження викидів СО2 розраховано для випадку заміщення газу. При розрахунках прийнято такі показники питомих капітальних витрат, виходячи з вартості обладнання українського виробника (у дужках також зазначені середні потужності обладнання, що використовуються в розрахунках):

• деревоспалюючі котли централізованого теплопостачання - 75 $/кВтт (2 МВт);
• промислові деревоспалювальні котли - 100 $/кВтт (1 МВт);
• деревоспалюючі міні-ТЕЦ - 1000 $/кВте (5 МВте+10 МВтт);
• малі побутові деревоспалювальні котли - 50 $/кВтт (30 кВт);
• соломопалювальні фермерські котли та котли для малих тепломереж - 80 $/кВтт (0.2 МВт);
• соломоспалювальні станції централізованого теплопостачання - 100 $/кВтт (2 МВт);
• соломопалювальні міні-ТЕЦ - 1500 $/кВте (5 МВте+10 МВтт);
• біогазові установки - 100 $/м3 об'єму метантанку (об'єм метантенка 1000 м3, 75 кВте+150 кВтт);
• міні-електростанції на біогазі з полігонів ТПВ - 600 $/кВте (1 МВте).

Таблица 5. Біоенергетичне обладнання, яке може бути встановлене в Україні в рамках реалізації запропонованої концепції

* включаючи 2478 установок на фермах ВРХ, 295 - на свинофермах, 130 - на птахофабриках.

У разі реалізації запропонованої концепції загальна встановлена потужність становитиме 9071 МВт та 415 МВте. Це призведе до заміщення 6.7 млн т у.т./рік та зниження викидів парникових газів на 34 млн т/рік СО2-еквівалента. Розвиток біоенергетичних технологій зменшить залежність України від імпортованих енергоносіїв, підвищить її енергетичну безпеку за рахунок організації енергопостачання на базі місцевих поновлюваних ресурсів, створить значну кількість нових робочих місць (переважно у сільських районах), зробить великий внесок у покращення екологічної ситуації.

У затвердженій Верховною Радою України у 1996 р. Національній енергетичній програмі України на період до 2010 р. передбачено покриття 10% потреб народного господарства в енергії за рахунок нетрадиційних поновлюваних та інших джерел енергії. 2000 р. актуальність цього пункту Програми була підтверджена у Рекомендаціях парламентських слухань щодо "Енергетичної політики України". Якщо орієнтуватись на досвід країн ЄС (де частка біомаси становить 60% усіх ВДЕ), біомаса може покривати близько 6% потреб народного господарства України в енергії. Цей показник добре стикується із даними представленої концепції розвитку біоенергетики в Україні. Для вирішення цілого комплексу питань, пов'язаних із розвитком біоенергетики в Україні, вважаємо за необхідне створення найближчим часом Державної науково-технічної програми розвитку біоенергетики України.

10. Питання для засвоєння пройденого матеріалу

1. Яка частка біомаси у світовому енергоспоживання?
2. Яка теплотворна здатність сухої біомаси порівняно з вугіллям?
3. Який вплив на викиди в атмосферу парникових газів спалює біомасу?
4. Чому дорівнює загальна встановлена потужність енергогенеруючих станцій США, що спалюють біомасу для отримання електроенергії?
5. Який відсоток потреби у первинних енергоресурсах забезпечується у Швеції за рахунок біомаси?
6. Який процес є основою виробництва деревного вугілля?
7. Для чого застосовується ферментація біомаси?
8. Яке газоподібне паливо виробляють шляхом розкладання біомаси?
9. Яка кількість деревини необхідна опалювальному котлу для обігріву середньостатистичного будинку (150 м2) протягом одного року в кліматичних умовах Центральної Європи?
10. Скільки сухої деревини потрібно для заміни 1 кілограма вугілля або мазуту за умови, що ефективність спалювання буде однаковою?
11. Яке обладнання може бути використане для зменшення кількості деревини, що спалюється для приготування їжі в країнах, що розвиваються?
12. У яких країнах реалізуються найбільші у світі програми з використання етанолу?
13. З яких компонентів складається біогаз?
14. Як температура навколишнього середовища впливає на утворення біогазу?
15. Які Ви знаєте основні компоненти біогазової установки?
16. Як може бути використана зброжена маса після отримання біогазу?
17. Якщо природний газ складається зі 100% метану - яка теплова здатність біогазу в порівнянні з природним газом?
18. У чому полягає основна перевага застосування в енерговиробництві процесу газифікації замість традиційного процесу спалювання біомаси з отриманням пари?
19. Що означає поняття "спільне спалювання біомаси"?

11. Джерела інформації

1. Звіт Global Bioenergy Statistics 2021, World Bioenergy Association - worldbioenergy.org
2. Міжнародне Енергетичне Агентство - iea.org

Наступний модуль