Биотопливо из возобновляемого сырья: перспективы производства и потребления

Аннотация

Иванкин А.Н., Неклюдов А.Д., Горбунова Н.А., Бабурина М.И., Горохов Д.Г. – Биотопливо из возобновляемого сырья: перспективы производства и потребления. В статье рассмотрены различные виды биотоплива, пути их получения. Также представлена принципиальнпая схема переработки биомассы.

Стремительное сокращение запасов природных углеводородов и постоянный рост цен на них требует широкого освоения альтернативных, возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Важной причиной, стимулирующей переход на альтернативные источники энергии, является проблема глобального изменения климата. Замена существующих энергоносителей на новые, отличающиеся от углеводородных существенно меньшей экологической нагрузкой, позволит уменьшить воздействие на окружающую среду вредных факторов, улучшить экологию нашей планеты и выполнить рекомендации, записанные в Киотском Протоколе к Рамочной конвенции ООН об изменении климата, который вступил в силу 16 февраля 2005 г. Доля возобновляемых источников энергии в мировом энергетическом балансе пока невелика. Но энергия, получаемая от этих энергоносителей, все шире используется на энергетическом рынке и уже сегодня находится в пределах 1,6 % от общеполучаемой энергии. Однако в промышленно развитых странах, давно (10–15 лет) занимающихся этой проблемой, показатели более значительны. В частности, в Дании доля альтернативной энергетики превышает 12 %, Италии, Германии, Испании, Чили – 2,7 %, Великобритании, США и Швеции 2,2–2,5 %. В Северной Америке к 2020 г. объем выработки электроэнергии на базе ВИЭ предполагается в пределах 10–25 % от общего объема производства.

Существенное значение в плане возможности возмещения энергии играет растительная биомасса – прежде всего продукция лесного хозяйства. Глубокая биотехнологическая переработка древесных и других растительных отходов может стать в среднесрочной перспективе весьма значимой для регионов, богатых лесными и растительными сельскохозяйственными ресурсами. В структуре альтернативной энергетики мира энергия биомассы сегодня составляет около 13 % [1].

При мировом производстве энергии 10 млрд т нефтяного эквивалента (н.эк.) вклад биомассы в 2001 г. составил около 1,1–1,2 млрд т н.эк., а суммарный вклад всех видов ВИЭ – 1,36 млрд т н.эк. По прогнозам экспертов, к 2040 г. общее потребление энергии в мире достигнет 3,5 млрд т н.эк. (100 %), при этом вклад ВИЭ составит 6,44 млрд т н.эк. (47,7 %), а биомассы – 3,21 млрд т н.эк. (23,8 %).

На примере Европейского Союза заметен резкий рост производства возобновляемой электроэнергии по сравнению с другими новыми технологиями. Электроэнергия из возобновляемых источников составила за последнее десятилетие 30 % общего объема (газ – 48,5 %, уголь – 5,8 %), в то время как за период 1996–2000 гг. электроэнергии из ВИЭ производилось 11 % (газа – 33 %, угля – 9 %). Наиболее интенсивно процесс использования ВИЭ пошел после принятия в 2003 г. Европарламентом директивы О мерах по стимулированию использования биологического топлива и других видов возобновляемого топлива в транспортном секторе, в которой заложена общая для ЕС цель – увеличить долю биотоплива до 5,75 % к 2010 г. Для достижения этой цели общие темпы роста производства биотоплива должны увеличиться с текущих 35 % за последние три года до 43 % в последующие годы.

В соответствии с Энергетической стратегией России на период до 2020 г., утвержденной распоряжением Правительства РФ от 28 августа 2003 г. № 1234-Р, технический потенциал ВИЭ составит около 4,6 млрд т н.эк., что в пять раз превысит объем потребления всех топливно-энергетических ресурсов России, а экономический потенциал определен в 270 млрд т н.эк. в год (немногим более 25 % годового внутреннего потребления энергоресурсов в стране). Имеющийся в России ресурсный потенциал биомассы для нужд биоэнергетики с учетом ее возобновляемости практически неисчерпаем. Его формируют значительные, не использующиеся на сегодняшний день резервы: в сельском хозяйстве – пашни (9 % от мировой), в лесном хозяйстве – запасы древесины (до 25 % мировых запасов).

Директивой ЕС от 8 мая 2003 г. № 2003/30 ES утверждены следующие термины и определения видов биотоплива (рис.1):

Биотопливо – жидкое или газообразное топливо, производимое из биомассы.

Дизельное биотопливо – смесь метиловых эфиров жирных кислот с качеством дизельного топлива, производимая из масла растительного или животного происхождения и используемая в качестве биотоплива. Дизельное биотопливо производят, обрабатывая липидное сырье метанолом в соотношении 1:1 при температуре кипения смеси в присутствии 1 % гидроксида натрия с последующим отделением глицерина и воды. Осушенная смесь эфиров добавляется в количестве 5–15 % в обычное автомобильное топливо.

Биоэтанол – этиловый спирт (С₂H₅OH), производимый из биомассы и/или биологически разлагаемых отходов и используемый в качестве биотоплива.

Процесс получения биоэтанола из древесных или сельскохозяйственных отходов предусматривает обработку сырья острым паром в течение 1–3 ч в смеси с 1–30 % серной кислотой с последующей нейтрализацией гидролизата, содержащего 50–80 % сахаров (глюкозы) при последующем ферментативном сбраживании в присутствии микроорганизмов в этанол, который подвергают очистке ректификацией. В моторное топливо добавляют в количестве 20 %.

Биогаз – топливный газ, производимый из биомассы и/или биологически разлагаемых компонентов отходов, который может подвергаться очистке для приобретения качества природного газа, используемого в качестве биотоплива или генераторного газа (химическая формула – СH₄.).

Твердое биотопливо (пелеты) – гранулы, брикеты, производимые из растительной биомассы путем ее переработки и прессования и используемые в качестве печного топлива в быту для получения тепла или электроэнергии [1].

Современное производство любых видов продукции и человеческая деятельность в целом невозможны без образования отходов. Часть этих отходов утилизируется естественным путем за счет работы микро- и макроорганизмов, незначительная часть целенаправленно перерабатывается человеком, но достаточно большой объем отходов практически не используется и остается в виде разнообразного мусора, занимающего значительные территории.

Проблема утилизации твердых бытовых отходов (ТБО) актуальна прежде всего с точки зрения отрицательного воздействия на окружающую среду, а также потому, что это богатый источник вторичных ресурсов и бесплатный энергоноситель, так как промышленное и бытовые отходы – возобновляемое углеродсодержащее энергетическое сырье для топливной энергетики. В мировой практике нашли промышленное применение четыре метода переработки ТБО:

– термическая обработка (в основном сжигание);

– биотермическое аэробное компостирование (с получением удобрения или биотоплива);

– анаэробная ферментация (с получением биогаза);

– сортировка (с извлечением тех или иных ценных компонентов для вторичного использования, удалением балластных или вредных компонентов, выделением отдельных фракций, наиболее пригодных технически, экологически и экономически для переработки тем или иным методом, например сжиганием или компостированием).

Каждый из методов имеет свои преимущества и недостатки, свои оптимальные области применения, зависящие главным образом от морфологического состава ТБО и региональных условий.

В нетрадиционной энергетике особое место занимает переработка биомассы (органических сельскохозяйственных и бытовых отходов) метановым брожением с получением биогаза, содержащего около 70 % метана.

Всего в мире в настоящее время используется около 60 разновидностей биогазовых технологий. Биогаз – это смесь метана и углекислого газа, образующаяся в процессе анаэробного сбраживания специальных реакторах – метантенках, устроенных и управляемых таким образом, чтобы обеспечить максимальное выделение метана.

При нормальной работе реактора получаемый биогаз содержит 60–70 % метана, 30–40 % диоксида углерода, небольшое количество сероводорода, а также примеси водорода, аммиака и окислов азота. Наиболее эффективны реакторы, работающие в термофильном режиме при 43–52 °С. Энергия, получаемая при сжигании биогаза, может достигать 60–90 % энергии исходного материала. Получение биогаза (табл.1) экономически оправдано и является предпочтительным при переработке постоянного потока отходов (стоки животноводческих ферм, скотобоен, растительные отходы и т.д.).

Годовая потребность в биогазе для обогрева жилого дома составляет около 45 м³ на 1 м² жилой площади, суточное потребление при подогреве воды для 100 голов крупного рогатого скота равна 5–6 м³. Потребление биогаза при сушке сена (1 т) влажностью 40 % составит 100 м³, 1 т зерна – 15 м³, для получения 1 кВт.ч электроэнергии – 0,8 м³.

Россия имеет огромную сырьевую базу для развития биоэнергетики в виде ежегодно накапливаемых органических отходов лесопереработки, агропромышленного комплекса и ТБО городов (рис.2).

Ведущее место по производству биогаза занимает Китай. Начиная с середины 70-х гг. в этой стране ежегодно строилось около миллиона метантенков. В настоящее время их количество превышает 20 млн шт. КНР обеспечивает 30 % национальных потребностей в энергии за счет биогаза.

Второе место в мире по производству биогаза занимает Индия, в которой еще в 30-е годы была принята первая в мире программа по развитию биогазовой технологии. На конец 2000 г. в сельских районах Индии было построено свыше 1 млн метантенков. Сегодня ежедневное производство биогаза в Индии составляет 2,5–3 млн м³.

Биогазовые установки успешно работают в восьми животноводческих хозяйствах Японии. В США в настоящее время объем производства биогаза составляет 500 млн м³/г. Значительная часть биогаза поступает на электростанции, работающие на газообразном топливе. Суммарная электрическая мощность установок, работающих на биогазе, составляет около 200 МВт. Великобритания производит около 200 млн м³/г. биогаза. Суммарная мощность БиоТЭС Великобритании составляет около 80 МВт. Во Франции добывается около 40 млн м³/г. биогаза. На одной из свалок вблизи Парижа была построена Био-ТЭС, использующая биогаз, эмиссия которого составляет 1500 м³/сут.

В России на сегодняшний день только в сельском хозяйстве существует потенциальная возможность производства биогаза в объеме около 58 млн м³/год, что может составить до 0,015 % от общего потребления газа в стране. Однако до настоящего времени в России нет национальной программы поддержки строительства биогазовых установок и ни одного централизованного биогазового завода.

Рост тарифов на традиционные виды топлива мотивирует активное внедрение альтернативных видов топлива, одним из которых стали топливные или древесные гранулы (пелеты), завоевавшие прочное место на мировом рынке биотоплива. Пелеты представляют собой прессованные цилиндры диаметром 4–10 мм, длиной 2–5 см, переработанные из высушенных остатков отходов лесоперерабатывающего производства: древесные опилки, стружка, кора, сучки, ветки и т.д. Содержание энергии в одном килограмме древесных гранул соответствует 0,5 л жидкого топлива. Кроме экономического эффекта, использование пелет способствует снижению вредных выбросов в атмосферу.

Технология производства пелет предусматривает механическое измельчение высушенного древесного растительного сырья с последующим прессованием при температуре выше 200–250 °С и давлении 100–400 МПа, обеспечивающими прочное слипание частиц сырья, и гранулированием. Гранулы влажностью не выше 5–6 % и плотностью 680–700 кг/м³ обладают сопротивлением к истираемости и применяются в качестве твердого топлива. Цена на промышленные пелеты составляет в среднем 85 евро/т при средней стоимости опилок 50 %-й влажности 10 евро/т.

Другим перспективным альтернативным видом топлива является биодизель [1].

Биодизель – это экологически чистое топливо для дизельных двигателей, получаемое путем химической обработки растительных масел или животных жиров, которое может служить добавкой к дизельному топливу или полностью заменять его. Среднеевропейская цена на биодизель составляет 500–600 евро за тонну (мазут – 200 евро).

Биодизель может использоваться в различных целях. Его можно применять в качестве смазывающей добавки (1–2 %) к дизельному топливу (ДТ), а смесь 20 % биодизеля с 80 % дизельного топлива (B20) обычно служит заменой ДТ, которым, согласно стандарту ASTM, могут быть ДТ1, ДТ2, авиационный керосин и др. При соответствующей подготовке можно использовать в двигателе и чистый биодизель (В100).

В мировом производстве биодизеля ведущую роль играет Европа, выпустившая более 1,6 млн т в 2002 г. и способная изготавливать его в количестве более 2,1 млн т/год.

По сравнению с Европой рынок биодизеля США находится все еще в начальной стадии развития. В Европе в 2005 г., в основном в Германии, было произведено 800 млн галлонов (3200 млн л), а в США – всего 10 % этого количества.

Пятая в мире частная нефтяная компания ConocoPhillips и Tyson Foods, крупнейшая в мире мясоперерабатывающая компания, разработали совместный проект производства дизтоплива из животного жира. Проект предусматривает, что компания Tyson Foods, ежегодно производящая 1,3 млн т животного жира в результате переработки говядины, свинины и мяса птицы, будет направлять почти 60 % этого объема на нефтеперерабатывающие заводы ConocoPhillips, где к концу 2009 г. объем выпуска нового биодизеля планируется довести до 660 тыс. т/год.

Канадский сектор производства биодизеля (согласно данным Канадского Совета Канолы) может получить колоссальные прибыли в связи с тем, что к 2015 г. использование биодизеля должно увеличиться до 5 % от общего объема использованного дизельного топлива на территории Канады. Канада поставила перед собой цель достичь производства 500 млн л биодизеля к 2010 г.

Корпорация Repsol YPF, одна из крупнейших в мире нефтяных компаний, инвестировала строительство фабрики по производству биодизеля в городке Розарио, провинция Санта-Фе, став крупнейшим в Аргентине производителем биодизеля.

В России основным законом, регулирующим отношения в сфере использования энергетических ресурсов и энергосбережения, является Федеральный Закон, принятый в апреле 1996 г. № 28-ФЗ Об энергосбережении. В нем дается понятие возобновляемых источников энергии и альтернативных видов топлива и лишь упоминаются такие виды биотоплива, как биогаз и продукты переработки биомассы.

Сферу биоэнергетики затрагивает и другой документ: Энергетическая стратегия России на период до 2020 г..

Список использованной литературы

1. Вестник МГУЛ – Лесной вестник Печатный: 2542-1468.