Биомасса и биотопливо в энергетическом обеспечении отраслей экономики страны
Автор: Кольниченко Г. И., Сиротов А. В., Панферов В. И., Тарлаков Я. В.
Источник: Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов / Сборник материалов XIII международной научной конференции аспирантов и студентов — Донецьк, ДонНТУ — 2019, с. 233-236.
Аннотация
Кольниченко Г. И., Сиротов А. В., Панферов В. И., Тарлаков Я. В.– Биомасса и биотопливо в энергетическом обеспечении отраслей экономики страны
В статье рассмотрены предпосылки более масштабного энергетического использования биомассы и дано обоснование научно-исследовательских работ по изучению влияния свойств биотоплива на итоговые характеристики двигателей внутреннего сгорания, работающих в условиях лесного комплекса и других отраслей экономики страны
Ключевые слова: БИОМАССА, БИОТОПЛИВО, БИОТЕХНОЛОГИИ, A BIOMASS BIOFUEL, BIOTECHNOLOGIES.
Основная часть
В последние годы в связи с ужесточением экологических требований важным направлением во всем мире считается расширение области применения возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В сфере энергетики все большие перспективы приобретает использование энергии биомассы. Биомасса – это органические вещества растительного и животного происхождения. В биомассе посредством фотосинтеза аккумулирована солнечная энергия.
Органических веществ, которые традиционно используются или в принципе могут быть использованы человеком в целях получения энергии, великое множество: это, в первую очередь, древесина и отходы ее переработки, продукция сельского хозяйства с его отходами, начиная от соломы и заканчивая рисовой шелухой, скорлупой орехов и т. д.
Биомасса как возобновляемый источник энергии обладает рядом существенных преимуществ. К ним прежде всего относят:
– распространенность и доступность;
– всесезонность;
– возможность получения различных энергетических продуктов (бионефть, этанол, биогаз, биоводород, синтез-газ и т. д.);
– снижение антропогенной нагрузки на климатическую систему. В атмосферу выделяется при энергетическом использовании биомассы столько же диоксида углерода, сколько его поглощается при росте биомассы. Поэтому биомасса оказывается экологически чистым топливом, не несущим никакой ответственности за парниковый эффект;
– уменьшение загрязнения атмосферы;
– уменьшение территорий свалок (одна из разновидностей биомассы – бытовые отходы органического происхождения) [1].
Содержание биомассы в природе составляет около 800 млрд т., причем ежегодно возобновляется 200 млрд т. Использование биомассы в определенной степени решает экологическую проблему путем утилизации вредных отходов промышленного производства и коммунально-бытового хозяйства.
Основными методами использования биомассы считаются биологическая и термохимическая конверсии. К первой относится процесс брожения, позволяющий получать биотопливо (этанол, бутанол и др.), биогаз и тепловую энергию. Термохимические про- ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010 137 БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ цессы – это пиролиз, в результате образуются газообразные, жидкие и твердые энергетические продукты [2].
Основное внимание отечественных исследований уделяется переработке отходов лесообрабатывающей промышленности, сельскохозяйственного производства, городских отходов как наиболее выгодному направлению.
Биомасса как источник энергии играет существенную роль в мировом энергетическом балансе. На ее долю приходится 10,7 % общего потребления энергии, или свыше 1500 млн т у.т. (т у.т. – тонна условного топлива, удельная теплота сгорания которого 7000 ккал/кг, или в системе СИ 29,3 МДж/кг). Для сравнения, годовое потребление России составляет ныне около 1000 млн т у. т.
Неудивительно, что биомасса – абсолютный лидер среди возобновляемых источников энергии, ее вклад составляет 80 %. Энергетический потенциал биомассы таков, что биопродуктивность только наземной части планеты достигает 60–65 млрд т у.т., что превышает современное мировое потребление энергии за счет всех ее источников в 4 раза [3].
В мире широким фронтом идут работы по созданию на основе биомассы моторных топлив, в связи с чем разрабатываются технологии получения и использования альтернативных (по отношению к нефтяным) видов жидкого топлива, создаются биодобавки к основному топливу дизельных и бензиновых двигателей. В Америке и странах американского континента наибольшую популярность приобрел топливный этанол, используемый как вместо бензина, так и в смеси с ним. В США уже сейчас на производство биоэтанола идет до четверти американского урожая кукурузы. А в Бразилии этанол производят из кукурузы и сахарного тростника в таком количестве, что этанол является серьезным конкурентом традиционному нефтяному топливу.
В Европе широко используется биодизель, сырьем для которого служат различные масла: рапсовое, пальмовое, подсолнечное, и который может применяться как вместо дизельного топлива, так и в смеси с ним.
По аналогии с этанолом смеси с низким содержанием биодизеля не требуют внесения изменений в конструкцию двигателя.
Щедрая поддержка со стороны государств Западной Европы и США привела к заметному росту мощности по производству биоэтанола и биодизеля в этих странах. Только за последние три года производственная мощность этих производств увеличилась примерно в три-четыре раза. Однако следует отметить, что это увеличение сопровождалось ростом цен на продовольствие, что дало повод политикам обвинить биотопливную индустрию в раздувании цен на продовольственные товары. Другими словами, по мнению многих, есть опасение, что производство биотоплива, спасая мир от энергетического кризиса, спровоцирует другой кризис – продовольственный.
Исследования последних лет показывают, что заметный рост цен на продовольствие в мире происходит в основном не из-за безудержного развития биотопливной промышленности, а в связи с увеличением населения в развивающихся странах и повышением их уровня жизни. Тем не менее, большее внимание стало уделяться биотопливу, которое получают из производств, не конкурирующих с пищевыми отраслями. Например, представляется более предпочтительным использование биотоплива, получаемого из соломы и других отходов сельскохозяйственного производства, из отходов древесного производства, а также из водорослей. Сейчас в Японии решается задача, каким образом культивировать водоросли в промышленных масштабах, т.е. как создать поля своей нефтяной водоросли
[4].
Биотопливо имеет немало преимуществ перед традиционными видами моторного топлива:
– биотопливо получают путем переработки продуктов растительного происхождения, что не ухудшает структурный и химический состав почв в системах севооборота;
– выброс углекислого газа (CO2) значительно меньше, чем у обычного топлива;
– по сравнению с бензином и дизельным топливом демонстрирует отличные результаты по показателям продуктов сгорания 138 ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010 БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ монооксида углерода, остаточных частиц и сажи;
– в биотопливе по сравнению с минеральными аналогами почти не содержится серы;
– при попадании на биологические объекты биотопливо не причиняет вреда ни растениям, ни животным, ни водным источникам. Кроме того, оно подвергается практически полному биологическому распаду.
Внедрение биодобавок приведет к существенному уменьшению вредных выбросов в атмосферу и значительно улучшит экологическое состояние планеты при сложившихся обстоятельствах глобального потепления.
В странах мира намечены следующие масштабы такого внедрения:
– ЕС планирует достижение к 2020 г. 10 % доли биотоплива в общем количестве топлива, используемого транспортом;
– Китай к 2020 г. планирует достижение 15 % такой доли биотоплива;
– Индия планирует увеличение этой доли до 10 % к 2020 г.;
– Австралия стремится к 5–6 % к 2020 г.;
– США планирует увеличить потребление биотоплива более чем в 10 раз к 2030 г. по сравнению с объемом потребления в 2010 г. [5].
Развитые страны, оценив высокую перспективность получения моторного топлива из возобновляемого сырья, включили это направление в число приоритетных и обеспечили его поддержку на государственном уровне. В результате сегодня доля США в мировом объеме биотехнологической продукции составляет 42 %, Евросоюза – 22 %, Китая – 10 %, Индии – 2 %, а доля России составляет лишь около 0,2 % [6].
Поэтому в России уже идет работа по созданию новой высокотехнологичной отрасли по производству биотоплива из отходов непищевых и самых дешевых источников и прежде всего из отходов деревообработки. В этом плане у нашей страны экономически выгодные позиции.
В России, также как и в Бразилии, сосредоточены основные лесные массивы планеты, в связи с чем остро стоит проблема более эффективного их использования, в том числе посредством сокращения экспорта круглого леса, внедрения безотходных технологий и технологий глубокой переработки древесины, что связано с проблемой утилизации отходов деревообработки, которые являются сырьем для получения биотоплива [7]. И это сырье в 5–6 раз дешевле зерна.
При активном участии госкорпорации Ростехнология
уже создана корпорация Биотехнологии
. Это открытое акционерное общество. Им разработана и продвигается программа создания российского рынка экологически чистых присадок к бензинам. Напомним, что постановлением правительства РФ утвержден технический регламент требований к качеству топлива. На смену экологическому стандарту для топлива Евро-2 придет в текущем году Евро-3, а в 2010–2013 г. уже будет действовать Евро-4, предполагающий использование пятипроцентной присадки к бензинам.
Основная цель программы корпорации Биотехнологии
– замещение пятипроцентной доли российского рынка бензинов за счет применения этанола и бутанола.
Россия – единственная страна в мире, имевшая развитую промышленность по производству спирта из непищевого растительного сырья. За основу новой технологии и в целом всей отрасли по производству биотоплива взяты производственные площадки бывших гидролизных заводов и предприятий спиртовой промышленности. Предполагается до 2020 г. в зонах переработки отходов построить или модернизировать порядка 30 заводов. К этому времени российская биотопливная отрасль может иметь капитализацию более 5 млрд долларов. Данный проект реализуется на основе принципа частно-государственного партнерства. Финансирование на долевой основе: 50 % за счет федерального бюджета, а 50 % – из внебюджетных источников.
Реализация на практике разработанного корпорацией проекта Развитие биотехнологии в РФ в 2008–2020 гг.
позволит осуществить масштабное преобразование в экономике с обеспечением равновесия топливного баланса страны и решения важнейших технических, экологических и социальных задач. ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 4/2010 139 БИОЭНЕРГЕТИКА И БИОТЕХНОЛОГИИ
В России в течение 2007–2008 гг. было заявлено около десяти проектов по производству биодизеля и биобутанола. На средства корпорации Биотехнологии
, например, в Иркутской области запущен пилотный проект по производству биотоплива (Тулунский гидролизный завод).
В числе реализуемых проектов уникальная технология производства биоэтанола из отходов деревообрабатывающей промышленности, разработанная и внедренная на Кировском биохимическом заводе (БХЗ). В этой технологии в качестве исходной биомассы используются опилки и другие отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности. Этот факт можно считать инновационным прорывом в стране в сфере производства биотоплива, так как при реализации такой технологии не затрагивается продовольственный сектор экономики. Вложенные в реконструкцию Кировского БХЗ 60 млн руб. окупятся уже через 2 года за счет производства конкурентоспособного по цене биоэтанола. Важным фактором низкой его себестоимости станет отсутствие необходимости транспортировки биомассы из других регионов. Кировский БХЗ обозначен как материальная, научно-исследовательская и экспериментальная база биотехнологического кластера в Кировской области [4].
В большинстве своем биотоплива значительно отличаются по физико-химическим свойствам от традиционных жидких углеводородных топлив. Поэтому весьма важной задачей является изучение влияния свойств биотоплива на итоговые показатели работы двигателя (эксплуатационные, экономические, экологические). В проведении указанной работы особенно заинтересованы лесной, агропромышленный и транспортный секторы экономики России с их многочисленными двигателями внутреннего сгорания. Общепризнано, что разработка и внедрение двигателей с использованием возобновляемых источников энергии, в том числе биотоплива, является одним из приоритетных направлений в области механизации, электрификации и автоматизации перечисленных выше секторов экономики страны. В первую очередь, это относится к дизельным двигателям, которые являются важнейшей составной частью дизельных электростанций (стационарных и передвижных), широко применяемых в районах страны без централизованного электроснабжения.
Последний фактор является характерным для значительной части потребителей России, учитывая тот факт, что более 10 % населения страны проживает в регионах, не присоединенных к централизованным системам электроснабжения, и пользуется дорогим привозным топливом, поставки которого зачастую не только дороги, но и не надежны.
В таких регионах, как правило, имеется весомый потенциал возобновляемых источников энергии, что позволяет их использовать как взамен, так и в комбинации с традиционными источниками энергии. Более того, в стране уже есть и появляются все новые фирмы и предприятия, производящие технологии и оборудование для решения упомянутых задач. Факторами, препятствующими их решению, являются:
– недостаточная осведомленность руководителей регионов и населения о возможностях биотехнологии;
– более высокие цены на нетрадиционные виды топлива, которые делают их применение экономически неконкурентоспособным по сравнению с традиционным топливом;
– неплатежеспособность тех, кто нуждается в использовании биотоплива;
– отсутствие поощрительного законодательства для разработки и использования возобновляемых источников энергии.
Преодоление перечисленных трудностей будет способствовать созданию эффективных комплексов энергоснабжения (тепло- и электро-)для лесных регионов России на основе комбинированного использования местных ресурсов биомассы.
Необходимо наращивать финансирование научных исследований и демонстрационных разработок, направленных на снижение расходов и увеличение эффективности проектов и демонстрацию долгосрочных выгод этого важного сектора альтернативной энергетики России.
Список использованной литературы
1. Энергетика России: проблемы и перспективы: тр. науч. сессии РАН: общ. собрание РАН 19–21 декабря 2005 г. / Под ред. В. Е. Фортова, Ю. Г. Леонова. – М.: Наука, 2006. – 499 с.
2. Энергетика XXI века: Условия развития, технологии, прогнозы / Л.С. Беляев, А.В. Лагерев, В. В. Посекалин и др.; отв. ред. Н. И. Воропай. – Новосибирск: Наука, 2004. – 386 с.
3. Энергетика XXI века: Системы энергетики и управления ими / С.В. Подковальников, С.М. Сендеров, В. А. Стенников и др.; отв. ред. Н. И. Воропай. – Новосибирск: Наука, 2004. – 364 с.
4. Валенчук, О. Не панацея, а реальная альтернатива / О. Валенчук // Независимая газета. – 29.09.2008 г.
5. Журнал Мировая энергетика
. – 2007. – №10 (46).
6. [Электронный ресурс] / – Режим доступа: http://www.rusbiotech.ru/
7. Лесная биоэнергетика: учебное пособие / Под ред. Ю. П. Семенова. – М.: МГУЛ, 2008. – 348 с.