Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз. Теория и практика. Монография

Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз: Теория и практика Евгений Семенович Панцхава Предлагаемая читателю монография, прежде всего, посвящается выдающимся отечественным ученым и специалистам, стоявшим у истоков создания отечественной биоэнергетики задолго до ее активного развития за рубежом. В книге представлены зарубежные и отечественные достижения по всем современным направлениям бурно развивающейся биоэнергетики как самостоятельного сектора общей мировой энергетики, ее теоретическим основам, технологиям, оборудованию и практическому применению. Большое внимание уделяется теории и практики природного метаногенеза как сложнейшего биологического процесса, активно участвующего в кругообороте углерода в биосфере, роли этого процесса в эволюции живого на земле, его глобальному участию в образовании ископаемых углеводородов. Книга рекомендуется для специалистов России, работающих в указанной области, для студентов, аспирантов и преподавателей кафедр, факультетов, вузов, изучающих и развивающих отечественную биоэнергетику. Евгений Панцхава Биоэнергетика. Мир и Россия. Биогаз: Теория и практика: монография Предисловие Предлагаемая читателю монография, прежде всего, посвящается выдающимся отечественным ученым и специалистам, стоявшим у истоков создания отечественной биоэнергетики задолго до ее активного развития за рубежом: академикам АН СССР – В.Н. Шапошникову, А.И. Опарину, Н.М. Сисакяну, Н.Д. Иерусалимскому, Е.Н. Кондратьевой; членам-корреспондентам АН СССР – С.И. Кузнецову, Н.В. Букину, И.В. Березину; академикам АН Лат ССР – М.Е. Бекеру, У.Э. Виестуру; профессорам – В.Я. Быховскому, В. А.Зуеву, Л.Л.Гюнтер, А. А. Ковалеву, Л.Л. Гольдфарбу, Г.Д. Ананиашвили, В.В. Алексееву; инженеру-технологу И. С. Логоткину, инженерам – В. А. Пожарнову, Н. И. Майорову, И.И. Школе, Т.Я. Андрюхину, В.М. Шрамкову, П.И. Гридневу, В.П. Лосякову, И.В. Семененко, В.Б.Костяку, Л.И.Монгайту, специалистам ГКНТ СССР В.И. Доброхотову, М.И. Фугенфирову, Н.Л. Кошкину, И.Х. Нехорошему, Скабиеву Е.М., Шкапкину В.И. и другим. В книге представлены зарубежные и отечественные достижения по всем современным направлениям бурно развивающейся Биоэнергетики как самостоятельного сектора общей мировой энергетики, ее теоретическим основам, технологиям, оборудованию и практическому применению.. Большое внимание уделяется теории и практики природного метаногенеза как сложнейшего биологического процесса, активно участвующего в кругообороте углерода в биосфере, роли этого процесса в эволюции живого на земле, его глобальному участию в образовании ископаемых углеводородов. В книге в значительном объеме использованы и цитируются работы, обзоры и монографии выдающихся зарубежных ученых и специалистов как в области биоэнергетики, так в области биологического метаногенеза и его практического применения. Книга рекомендуется для специалистов России, работающих в указанной области, для студентов, аспирантов и преподавателей кафедр, факультетов, вузов, изучающих и развивающих отечественную биоэнергетику. Автор. Часть первая Биоэнергетика: мир и Россия Глава 1. Введение 1.1. Биоэнергетика – самостоятельный сегмент мировой энергетики «Бурить на глубинах приходится потому, что все сложнее найти новые месторождения. И чем труднее добыть нефть, тем больше ущерб от добычи окружающей среде. Проблема принимает глобальные масштабы, нужно искать новые решения, которые будут в гармонии с природой, и которые можно будет контролировать».     Синтия Уорнер – топ-менеджер ВР. Сжигая уголь, практически сжигают только углерод [1-45]. При сжигании нефти на каждый атом углерода приходится два атома водорода, т. е. на каждый потребленный атом углерода нефти выделяется вдвое больше энергии, чем при сжигании угля. А это значит, что при полной замене нефти или газа на уголь его необходимо будет сжигать вдвое больше, что приведет к резкому увеличению углекислого газа в атмосфере. В 1958 г. количество углекислого газа в атмосфере составило 315 млн. т, а в 1980 г. 338 млн. т, т. е. увеличилось за 22 года на 7 %, тогда как в 1880 г. эта цифра составляла 290 млн. т, или за 100 лет концентрация CO в атмосфере увеличилась всего на 15 %. Таким образом, темпы роста концентрации CO в атмосфере с каждым годом увеличиваются, что приводит к усилению "парникового эффекта" и повышению температуры на земном шаре. Температура атмосферы Земли увеличивается не только за счет усиления "парникового эффекта", но, как впервые указал на это лауреат Нобелевской премии, един из создателей отечественной атомной энергетики, создатель теории цепных реакций академик Н. Н. Семенов, и благодаря постоянно увеличивающемуся тепловому загрязнению. Постоянное сжигание в огромных количествах ископаемых топлив или создание других мощных топливных носителей приводит к постоянному выбросу тепла в биосферу. Сегодня человечество за счет различных источников энергий производит до 5 10 кал тепла в год, что составляет 1/20 000 часть падающей солнечной энергии на Землю или 1/5000 солнечной энергии, поглощаемой массой Земли. В среднем производство энергии увеличивается на 5 % в год. При таких темпах через 200 лет человечество будет производить столько же тепла, сколько дает Солнце, что скажется на изменении теплового баланса Земли. [1–2] Рис. 1–1. Н.Н. Семенов. 1896–1986 гг. Перегрев Земли на 3–4 °C может привести к серьезным негативным последствиям. Какой же вывод следует из всего вышесказанного? Существующим технологиям производства энергии необходимо противопоставить технологии, основанные на использования экологически чистой энергии, при сохранении круглогодичного баланса СО в атмосфере и при минимальном тепловом загрязнении атмосферы. В качестве таких основных источников энергии на Земле в будущем следует рассматривать, с одной стороны, ядерную, получаемую как в результате деления тяжелых ядер, так и синтеза легких, с другой – солнечную энергию [1–3]. Благодаря прямому использованию различных форм солнечной энергии (солнечного тепла и фотоэлектрического эффекта, энергии ветра и процесса фотосинтеза) можно избежать теплового загрязнения, твердых и газообразных выбросов в атмосферу, и существенно уменьшать потребление ископаемых топлив [1–4]. Преимущества использования солнечной энергии очевидны: Во-первых, исключается тепловое загрязнение среды, потому что не выделяется дополнительная тепловая энергия. Единственным источником тепловой энергии служит Солнце. Во-вторых, при использовании солнечной энергии исключается возникновение побочных продуктов и отходов. Использование солнечной энергий доступно повсеместно, что позволяет лучше использовать природную среду. Ветровая энергия – производная солнечной энергии – также не загрязняет окружающую среду. И наконец, продукт фотосинтеза – биомасса, конвертирование которой в топливо возможно несколькими путями, причем, некоторые из них самым тесным образом связаны с охраной окружающей среды. Все перечисленные модификации солнечной энергии и ее производные не ограничены во времени и будут действовать, пока светит Солнце. Очень тесно с проблемами современной энергетики смыкается другая стоящая сегодня перед человечеством проблема – это охрана окружающей среды. Успехи современной науки и техники достаточно наглядно демонстрируют, что эти две проблемы могут решаться одновременно. Речь идет о разработке научных методов и технологий получения энергии и топлива при одновременном решении вопросов, связанных с охраной окружающей среды из-за непрерывно поступающих в биосферу органических загрязнений. Поэтому интенсивное и рациональное использование человечеством падающей на Землю экологически чистой солнечной энергии является одним из перспективных магистральных путей получения необходимой энергии и топлива. Важное место принадлежит биологический методам конверсии, При фотосинтезе энергия Солнца конвертируется а энергию химических связей органических веществ, соединяемых общим термином "биомасса". Термин "биомасса" охватывает все виды веществ растительного и животного происхождения, продукты жизнедеятельности человека и животных, органические отходы перерабатывающей промышленности и сельского хозяйства. Скрытую химическую энергию можно с помощью ряда биологических или термо-химиических процессов превратить в удобные для использования виды топлива или энергии. [1-45]. Топливно-энергетический комплекс России играет важную роль в экономике страны. На ее территории сосредоточено 1/3 мировых запасов природного газа, 1/10 нефти, 1/5 угля и 14 % урана. [1–1]. Через семь лет (2020 г.) добыча нефти в России может откатиться к уровню 2004 года, прогнозируют эксперты «Российской Газеты». Если в 2012 году уровень добычи нефти составил 518 миллионов тонн, то через пять-семь лет этот показатель может сократиться до 420–450 миллионов тонн. И это намного ниже, чем официальный прогноз [1-46]. Современные проблемы энергетики могут быть решены только при рациональном использовании всех существующих на Земле и околоземном пространстве источников топлива и энергии [1-45]. Биоэнергетика – фундаментальное и прикладное направление возникло на границе современных биотехнологий, химической технологии и энергетики, изучает и разрабатывает пути биологической конверсии солнечной энергии в топливо и биомассу и биологическую и термохимическую трансформацию последней в топливо и энергию[1-45]. Внедрение в народное хозяйство достижений биоэнергетических технологий прежде всего зависит от решения задач, связанных с интенсификацией процессов конверсии органического сырья в топливо и крупномасштабным производством самой биомассы. Только при серьезном фундаментальном исследовании можно создать высокоэффективную отрасль народного хозяйства, отвечавшую воем требованиям современного научно-технического прогресса [1-45]. Почти треть населения Земли (около 2 млрд. чел.) все еще использует биомассу в виде древесины как основной источник топлива. В любой форме биомасса является возобновляемым, единственным доступным, простым и дешевым источником энергии для большинства сельских жителей планеты. В Эфиопии, Непале, Танзании, в Сибири и Амазонии, в Северной Канаде и на островах Полинезии, Микронезии, в Малайзии благодаря биомассе удовлетворяется 80–90 % потребностей в топливе. Даже в таких развитых странах, как США, Швеция, Норвегия, Канада, доля энергии, получаемой из биомассы, в общем объеме энергии составляет 4-10 %. Благодаря незаурядному потенциалу, сжатым срокам окупаемости проектов, экологическим преимуществам биомасса, вероятно, является одним из приоритетных видов среди других возобновляемых источников энергии в большинстве стран. В конце XX в. общий объем мировых первичных энергоресурсов составил около 8,5 млрд. т., из которых примерно 7 млрд. т. приходится на долю ископаемого органического топлива. Совокупно, энергетический потенциал всей растительности нашей планеты составляет около 70 млрд. т., т. е. в 10 раз превышает использование ископаемого топлива. Доля древесины, которую используют для получения энергии, составляет: в Дании – 61 % от общего объема вывозимой из лесов древесины, во Франции – 56 %, Испании – 44 %, Швейцарии – 56 %. В среднем в Европе темпы ее использования растут на 7,3 % ежегодно (в Швеции – 10,2 % в год, в Дании – 9,2 %, Франции – 8,9 %, Испании – 7,7 %). Таблица. 1–1 Мировые запасы и добыча нефти и газа. Прогноз потребления к 2009 и 2050 гг. Таблица.1-2 Запасы нефти [1-47] Сейчас биомасса покрывает в среднем 15 % общего потребления первичных энергоресурсов в мире: в развивающихся странах – 48 %, в промышленно развитых странах – в среднем 2–3% (США – 3,2 %; Дания – 6 %; Австрия – 12 %; Швеция – 18 %; Финляндия – 23 %). По оценке экспертов ООН численность населения планеты к 2050 г. может увеличиться до 9.2 млрд. человек. Если к этому времени потребление моторных топлив и природного газа на душу населения всей планетой возрастет до современного уровня Европейского Союза, то в год придется добывать до 18.3 млрд. тонн нефти или 16 % от разведанных к настоящему времени запасов, а природного газа – до 12 трлн. куб. м или 6.7 % от разведанных запасов. То есть нефти хватит на 6-10 лет, газа на 15–20 лет. (Таблица 1) Хотя как показали исследования автора, нефти и газа может быть в десятки раз больше, чем разведано. Причина этому: несовершенство технологий нефте- и газоразведки, большие глубины залегания, отсутствие соответствующего оборудования.[2]. Такого же мнения придерживается ряд российских экспертов. В статье «Кризис изобилия» Алексей Михайлов – эксперт Центра экономических и политических исследований (ЭПИцентр), отмечает, что «… объем энергоносителей-углеводородов ограничен, рано или поздно, если его сжигать, то он кончится. Но это только кажущаяся очевидность.[1-48]. Во-первых, разведанных запасов углеводородов при нынешних объемах добычи хватит: нефти и газа – на 50 лет, угля – на 500. А за эти 50/500 лет будут разведаны новые запасы… Из этой кастрюли, которую природа готовила нам сотни миллионов лет, еще черпать и черпать. Впереди шельфы, глубинное бурение, сланцы… Мы за один нефтяной век только пенку сверху сняли. Во-вторых, как это ни парадоксально, но именно вопрос с энергией самый легко решаемый. Энергия универсальна, ее добывать можно почти из всего и передавать на расстояние не очень сложно и дорого. А Земля – принципиально разомкнутая система, она получает колоссальное количество энергии от Солнца, а кое-что – и от Луны. И напрямую – в виде тепла и света, и опосредованно – в виде ветра, текущей воды, приливов и т. д. И люди столетиями использовали эту энергию (например, ветряные и водяные мельницы). Полный отказ от ископаемых источников энергии (ИИЭ, сегодня они дают 85 % мирового энергопотребления) и переход на возобновляемые (ВИЭ) – это вопрос не какого-то отдаленного футуристического будущего. Есть расчеты, что уже к 2030 году можно перевести 100 % мировой энергетики с ископаемого топлива на ВИЭ – ветер, вода и солнце. 50 % мировой энергетики будут давать 4 млн. ветротурбин. В 2009 году в США свыше 50 % новых энергетических мощностей было создано за счет возобновляемых источников. В 2009 году инвестиции в новые возобновляемые источники энергии в мире превысили $150 млрд. Переход на возобновляемые источники энергии – это совершенно практический вопрос, отработанный технологически и связанный сегодня только экономическими ограничениями. Как только ИИЭ станут достаточно дороги – переход произойдет автоматически. Он уже идет, несмотря на то, что пока еще ВИЭ недостаточно рентабельны и очень капиталоемки. Совершенно прав был министр нефтяной промышленности Саудовской Аравии Заки Ямани еще в 70-е годы сказавший: «Каменный век закончился не потому, что в мире кончились камни. Также и нефтяной век закончится не потому, что у нас кончится нефть». Энергетический голод Земле не грозит. [1-48]. За последние 20 лет уровень добычи нефти в Штатах снизился: так, в 1972 г. он составлял 528 млн. т, в 1995 г. – 368 млн. т, а в 2000 г. – только 350 млн. т, что является следствием возросшей конкуренции между американскими производителями и импортерами более дешевой зарубежной нефти. Из потребляемых 23 млн. б/с (1040 млн. т/год) в США добывается только 8 млн. б/с, а остальная часть импортируется – 680 млн. т/год. При этом США по-прежнему занимают второе место в мире по объему добываемой нефти (после Саудовской Аравии). Доказанные запасы нефти США составляют около 4 млрд. тонн (3 % от мировых запасов).[1-49]. В декабре 2012 г. чистый импорт нефти в США сократился до 5,98 млн. барр. в сутки (270 млн. т/год) – это самое низкое значение с февраля 1992 года. Чистый импорт нефти в Китай в декабре вырос до 6,12 млн. бар в сутки (277 млн. т/год), согласно данным таможни Китая. В 2012 году Китай увеличил импорт нефти на 6,8 % – до 271 млн. тонн – по сравнению с предыдущим годом. Сейчас Россия является третьим по величине поставщиком сырой нефти в КНР и уступает по этому показателю только Саудовской Аравии и Анголе. Стремительное развитие китайской экономики неизбежно ведет к увеличению спроса на энергоносители. К 2015 г., полагают эксперты, спрос Китая на нефть может возрасти до 540 млн. тонн в год.[1-50]. Биоэнергетика считается основной тенденцией развития топливного рынка. Ожидается, что она в ближайшие 30–40 лет станет доминирующей в развитии мировой системы энергообеспечения. В связи с приближающейся угрозой истощения мировых запасов углеводородов в качестве основной тенденции развития топливного рынка международным экспертным сообществом заявлена биоэнергетика, которая должна стать фундаментом для начала новой эры энергетики. В ближайшие 30–40 лет именно биоэнергетика станет доминирующей в развитии мировой системы энергообеспечения. Таблица. 1-3 Мировые запасы и добыча нефти и газа. Прогноз потребления нефти Китаем, Индией и Индонезией к 2020 – 2040 г.г. Таблица. 1-4 Десять стран – лидеры, импортирующие нефть (млрд. баррелей 2006 г.). [1-51]. Таблица. 1-5 Десять стран – обладатели крупнейшими доказанными запасами нефти (млрд. баррелей, 2006 г.) Во второй половине ХХ века мир столкнулся с новой для себя экологической проблемой, которая может принять угрожающие формы. Это выбросы CO в атмосферу Земли. Они составляют до 8 млрд. т ежегодно, из них экосистемы Земли способны поглотить лишь половину. Остальное накапливается в атмосфере и последствия этого пока не ясны. Однако очевидно, что столь грубое вмешательство в сложившуюся экосистему, когда нарушается экологическое равновесие, не останется безнаказанным для человечества. В 1997 году 105 государств подписали в г. Киото протокол, направленный на уменьшение выбросов в атмосферу избыточного углекислого газа, образующегося при сжигании нефти, угля, ископаемого газа, а также продуктов их переработки. Моторные топлива при сгорании вносят существенный вклад в нарушение баланса углекислого газа в атмосфере. Использование в составе моторных топлив компонентов, произведенных из возобновляемого сырья [1–1] и в первую очередь оксигенатов [1-2- 1–4] позволяет уменьшить его вредное воздействие на окружающую среду. В 2003 году Европейская комиссия предложила директиву [1–5], которая поощряет государства, являющиеся членами Европейского Союза (ЕС), широко применять биокомпоненты в моторном топливе. В 2010 году планировалось довести содержание биокомпонентов в моторном топливе, поступающем на рынок ЕС, до 6,75 %. Существующий парк автомобилей и транспортных средств, в которых используются стандартные двигатели, не позволит в ближайшее время начать применять моторные топлива, полностью состоящие из биокомпонентов, т. е. очевидно, что вырастет роль смесевых моторных топлив, часть которых будет изготовлена из нефти, а часть из возобновляемого сырья. Использование не нефтяного сырья не только расширяет ресурсы топлив, но часто позволяет улучшить их экологические характеристики. В качестве биотоплив наиболее широкое распространение получили биоэтанол и биодизель. [1-52]. Современное мировое сообщество стоит перед необходимостью решения нескольких глобальных проблем с целью создания в ближайшие десятилетия для каждого члена общества независимо от места его обитания достойных комфортных условий жизни и трудовой деятельности. Особое место среди этих проблем занимают: Экология. Каждый житель планеты имеет право на максимально полную экологическую безопасность, то есть быть обеспеченным чистой атмосферой (без вредных химических и тепловых выбросов), чистой водой (без различных вредных стоков) и чистой землей для получения экологически чистого полноценного и естественного продовольствия. Необходимо: • сохранить баланс диоксида углерода в кругообороте углерода в биосфере без излишних выбросов СО и других парниковых газов (Метана) в атмосферу для недопущения теплового перегрева Земли. • создавать такие производственные технологии в промышленности и сельском хозяйстве, которые бы минимизировали количество сточных вод и других отходов, и, в идеале, вели бы к созданию безотходных технологий. 2. Энергетика. Решение задач, поставленных в п.1 потребует резкого увеличения производства энергии. По мнению академика Е. Велихова в ближайшие 2–3 десятилетия потребление и, соответственно, производство энергии возрастет на 60 % от его мирового производства и потребления в начале 21 века. Увеличение производства энергии должно проходить на фоне создания экологически чистых энерготехнологий, повышения к. п. д. используемых топлив, создания новых постоянно возобновляемых источников топлива и энергии, полного перевооружения промышленности и сельскохозяйственного производства на энергосберегающее оборудование, машины и технологии. 3. Агрохимия и сельскохозяйственное производство. Обеспечение мирового сообщества экологически чистым продовольствием в соответствии с принятыми научно обоснованными нормами потребует: • повышения урожайности всех без исключения основных продовольственных культур; • повышения плодородия почв; • постепенного повышения экологической чистоты почв; • максимального перехода на применение экологически чистых высокоэффективных органических удобрений при минимальном использовании сбалансированных по каждому региону и почвам минеральных удобрений. 4. Решение социальных проблем. Экологическая безопасность и более высокая энерговооруженность человека должна привести к решению сложнейших социальных проблем (как в странах постиндустриального общества, так и в развивающихся странах): • улучшение условий быта и труда; • снижение смертности и доведение детской смертности до минимума; • снижение заболеваемости; • повышение продолжительности физиологической и умственной активной жизни. Решение всех вышеперечисленных проблем и задач, поставленных мировым сообществом, тесно связано с энергичным развитием одного из современных направлений глобальной энергетики – биоэнергетики. Биоэнергетика – или использование фотосинтезированной биомассы и продуктов ее технической и физиологической переработки и потребления – сопровождала и сопровождает человека в течение всей его эволюции. Именно биомасса и, в частности, ее сжигание и получение тепла, первый и важный шаг в эволюция и развитии homo sapiens. Многие виды биоэнергетики известны человеку давно: сжигание дров, производство биогаза, производство древесного дегтя и древесного угля, производство спирта (вина). Задачи современной науки и техники: • превратить эти древние виды биоэнергетики в более энергоэффективные и рентабельные; • создавать новые биоэнергетические технологии; • получить новые виды биосырья для получения топлива и энергии; • создавать новые энерготехнологии, сочетающие рациональное использование традиционных видов топлива и энергии с применением различных типов биомассы для производства экологически чистых видов тепловой и электрической энергии. При условии, если к 30-50-м годам настоящего столетия в России электроэнергия и часть тепловой энергии будут производится АЭС, ГЭС и ВИЭ (ветер, вода, солнце, биомасса, приливы и т. д.), то двигатели внутреннего сгорания (мобильные и стационарные) будут, по-прежнему, использовать моторные топлива, в значительной степени получаемые из ископаемых углеводородов (нефть и природный газ). К середине века потребление нефти в России на душу населения может достигнуть уровня США и тогда дефицит по нефти для РФ может составить более 300 млн. т в год. Этот недостаток необходимо будет заполнить производством альтернативных видов моторных топлив. Современный мировой транспорт потребляет около 29 % всех энергетических ресурсов. 97–99 % общего потребления энергоресурсов всеми видами транспорта обеспечивается нефтью, причём до 49–50 % от расходуемых нефтепродуктов идёт на производство моторных топлив. Таблица. 1-6 Нужна ли альтернативная энергетика России? Что Россия будет продавать и сколько нужно добывать нефти в 2030–2050 г.? До конца текущего столетия двигатели внутреннего сгорания (ДВС) сохранят ведущую роль в транспортной энергетике [4]. То обстоятельство, что разведанные мировые запасы нефти ограничены и неравномерно распределены по различным регионам планеты, создаёт предпосылки для разработки промышленных технологий получения моторных топлив из сырья не нефтяного происхождения. Получаемое из нетрадиционных видов сырья жидкое и газообразное топливо для мобильных установок называют альтернативным моторным топливом [1–5]. Исследования в области производства и применения альтернативного моторного топлива в последнее время активно развиваются в разных странах мира. Одним из видов альтернативного моторного топлива является биотопливо. Его получают в результате переработки различных видов биомассы – от древесины до отходов агропромышленного комплекса – методами механической деструкции, термохимии и биотехнологий с использованием технологий каталитического синтеза. Биотопливо подразделяют на жидкое (для ДВС, например, биоэтанол, биометанол, биобутанол, биодизель, биобензин, биокеросин, ДМЭ), твёрдое (дрова, брикеты, топливные гранулы, щепа, солома, лузга, древесный уголь) и газообразное (биогаз – биометан, биоводород, син-газ). Под биомассой понимается материал биологического происхождения: фотосинтез, далее флора и фауна, а также разнообразные органические отходы технологического, зоотехнического и физиологического происхождения. Поэтому одна из важнейших задач России заменить моторные топлива (бензин, керосин, дизельное топливо) и топочный мазут нефтяного происхождения на углеводороды биологического происхождения. Современная биоэнергетика становится объектом большой политики. Вопрос развития биотопливной индустрии становится все более актуальным. Предлагается следующая классификация сырья для производства биотоплива: 1) по источникам происхождения: биотопливо из продуктов и отходов лесопромышленного комплекса, биотопливо из продуктов и отходов агропромышленного комплекса и биотопливо из биологических муниципальных отходов; 2) по физическим свойствам вещества: твердое биотопливо, жидкое биотопливо и газообразное биотопливо. К твердым источникам биотоплива относятся: – твердые продукты лесопромышленного комплекса (ЛПК): лес, отходы деревообработки, твердые продукты агропромышленного комплекса (АПК): солома, стебли, жмых, лузга, биологическая часть твердых бытовых отходов (ТБО). К жидкому биотопливному сырью относятся: • жидкие продукты ЛПК: черный щелок, метанол, пиролизное масло; • жидкие продукты АПК: сырые растительные масла, масляный эфир (биодизель), метанол, пиролизное масло из твердого агротоплива; • жидкая часть биологических муниципальных отходов (иловые осадки сточных вод, пиролизное масло из твердых бытовых отходов). Важное место среди различных видов жидкого биотоплива занимает моторное биотопливо для транспорта. Из вышеперечисленных видов биотоплив с биотехнологией сопрягается только производства: этанола, бутанола, частично биоводорода, биогаза, свалочного газа и растительных масел. Биоэнергетика за прошедшие 20 лет превратилась в мощный самостоятельный сектор мировой энергетики. По масштабам производства и применения в некоторых развитых странах превосходит использование всех других видов возобновляемой и альтернативной энергетики. С точки зрения динамики и объемов потребления основными сегментами мирового рынка альтернативной энергетики являются биотопливо, солнечная и ветряная энергетика Вклад биоэнергетики в энергобаланс таких стран, как США, ЕС, БРИК (кроме России), растет постоянно. Около 90 % производственных мощностей биотоплива приходится на США, Бразилию и ЕС. К 2030 г. в зависимости от региона биотопливо может занять от 10 до 30 % совокупного потребления энергии. В ЕС производство тепловой и электроэнергии из биомассы к 2020 году возрастёт на 850 ТВт-ч (10 Вт. ч) по сравнению с 2007 годом до 1 650 ТВт-ч. Данный рост составит около половины всего текущего потребления энергии из угля. Мировым лидером по использованию твердой биомассы для получения тепла и электроэнергии являются США. В 2007 году в США 42 ТВт-ч электроэнергии производилось из твердой биомассы. На втором месте – Япония (16 ТВт-ч), на третьем – Германия (10 ТВт-ч). По состоянию на конец 2009 года в США насчитывалось около 80 проектов по использованию твердой биомассы для производства электроэнергии общей установленной мощностью 8,5 ГВт. К 2010 году в ЕС насчитывалось около 800 электростанций на твердой биомассе (дереве, чёрном щёлоке и т. п.) общей мощностью около 7 ГВт, большинство из которых расположено в богатых лесными ресурсами странах Скандинавии, а также в Германии и Австрии. Около 4 % электроэнергии в ЕС производится из древесных отходов. В 2010 году спрос на пеллеты в ЕС составил 11 млн. тонн, около 15 % из которых было импортировано из США и Канады. В период с 2008 по 2010 гг. США увеличило экспорт пеллет в ЕС более чем в два раза. В конце 2006 года спрос на пеллеты в США составил 1,4 млн. тонн – около 2 % всей произведенной в США электроэнергии (рост более чем в два раза по сравнению с 2002 годом). Основными потребителям пеллет в США является частный сектор и малые тепло- и электростанции. Общее производство жидкого биотоплива в мире возросло с 16 млрд. л в 2000 году до 100 млрд. л в 2010 году. Жидкое биотопливо составляют около 3 % всего топлива для транспорта, а также достигает существенной доли в некоторых странах, наиболее активно развивающих данный сектор. В Бразилии в 2008 году доля использования биотоплива в транспортной сфере составила около 21 %, в США – 4 %, в ЕС – 3 %. По оценкам МЭА к 2050 году доля биотоплива транспортной сфере может увеличиться до 750 млн. т. н. э. (по сравнению с текущим уровнем в 55 млн. т. н. э.) и составить 27 % всего транспортного топлива, позволяя уменьшить объемы выбросов транспорта на 20 % и сократить мировую зависимость от ископаемых видов топлива. (тн. э. – тонн нефтяного эквивалента) Международное энергетическое агентство (МЭА) оценивает мировое замещение этанолом более 1 млн. баррелей нефтяного спроса в день. Из всего производимого в мире этанола 80 % имеет топливное применение, 12 % – техническое и 8 % – пищевое. В 2009 году производство этанола в мире составило 76 млрд. литров (рост на 10 % по сравнению с 2008 г., на 400 % по сравнению с 2000 г.). В 2009 г. ведущие места по производству этанола заняли США, Бразилия и ЕС. При этом на долю США (40,1 млрд. литров -54 %) и Бразилии (24,9 млрд. литров – 34 %) пришлось около 88 % мирового производства этанола. Второе место из моторных биотоплив занимает биодизель, получаемый из растительных масел и метанола. ЕС остается основным (около 50 %) производителем биодизеля в мире. В США масштабы производства биодизеля на фоне этанольного бума выглядят намного скромнее, но прорабатываются программы по наращиванию объемов производства американского биодизеля. Производство биодизеля в США в 2009 году составило 2.2 млн. м и осуществлялось в основном из растительных масел. Важное место в программах развития биотоплив за рубежом занимает производство биогаза. Лидером по производству биогаза является ЕС. В настоящее время европейский рынок биогазовых установок оценивается в 2 млрд. долларов США, по прогнозам он должен вырасти до 25 млрд. к 2020 году. В Европе 75 % биогаза производится из отходов сельского хозяйства, 17 % – из органических отходов частных домохозяйств и предприятий, еще 8 % – из отходов сточных вод (установки в канализационноочистных сооружениях). Первое место по количеству действующих биогазовых заводов принадлежит Германии – в 2010 году их насчитывается более 9 000. Только 7 % производимого данными предприятиями биогаза поступает в газопроводы, остальное – используется для собственных нужд производителя. В 2007 г. объем электроэнергии, производимой с помощью биогаза, составил около 2,9 ТВт-ч. В перспективе 10–20 % используемого в стране природного газа может быть заменено биогазом. В 2000 году мировой рынок биотоплив оценивался в сумме 866 миллионов $ США. И к 2013 году – 2.14 млрд. $ США. Прогнозируется, что в следующем десятилетии около 18 млрд. $ будет инвестировано в: 1. Крупномасштабное производство электрической и тепловой энергии из биомассы – 13.9 млрд. $ или 78 %; 2. Производство биогаза 1.3 млрд. $ (7 %) (создание крупных централизованных заводов мощностью не менее 10 тысяч тонн перерабатываемого сырья и производству не менее 0.15 МВт тепловой, электрической энергии и топлива для двигателей). 3. Производство «лендфилл-газа» (свалочного газа из ТБО) – 2.7 млрд. $ или 15 % для получения тепловой и электрической энергии. Итого, на производство биогаза – 4 млрд. $ США или 22 %. Синтез-газ (син-газ), смесь газов, главными компонентами которой являются монооксид углерода СО и водород Н», которую можно получать в процессе термической обработки биомассы с использованием различных технологий. В настоящее время известно о нескольких инициативах по реализации проектов в области производства синтез-газа в некоторых странах, например в США, Европе, Японии, Австралии и Индии. Важным дополнением к солнечной энергии и к одному из ее производных – биоэнергетике в недалеком будущем могут стать МЕТАНГИДРАТЫ, обилие которых найдено в океане. [1-42]. Метангидрат сосредоточен на глубинах от 500 до 2000 метров у берегов некоторых континентов, как правило, на крутых подводных склонах. Есть они в Арктике. Рис. 1–2. Кусок метангидрата выглядит как грязноватый лёд Рис. 1–3. Строение конгломерата – „ящичной“ псевдомолекулы, состоящей из кристаллической решётки льда и молекулы метана, находящейся в полости этой решётки Метановый лед относится к так называемым „ящичным“ соединениям. В них не возникает химических связей между молекулами метана и молекулами воды. Метан размещается в пустотах кристаллической решётки водяного льда. Единичный конгломерат из воды и газа составляют 32 молекулы воды и 8 молекул метана. В одном кубическом метре этого вещества содержится значительно больше энергии, чем в кубометре природного газа (при одинаковом давлении). В ледовых пустотах одного кубометра метангидрата „запрятано“ 164 кубометра газа. Молекулы льда, а значит, и метана уложены здесь более плотно. [1-42]. Метангидрат образуется под давлением на глубине в порах донных осадков из органических веществ иловых осаждений, где они подвергаются анаэробному бактериальному разложению с образованием метана.[1-42]. По приблизительным оценкам, на планете хранится от 10 000 до 15 000 гигатонн углерода в виде метангидрата (гига равна 1 миллиарду). Огромная масса запрятанного на глубине метана перекрывает по запасам все известные на Земле природные источники энергии. Вопрос только в том, как воспользоваться этим богатством? Сегодня ещё нет отлаженной промышленной технологии добычи нового топлива.[1-42]. Соединённые Штаты, согласно перспективным расчётам, к 2020 году должны на 30 процентов увеличить потребление энергии. Готовы они использовать и метангидрат: конгресс страны отпустил 42 миллиона долларов на разработку программы включения нового топлива в энергетический баланс страны Намечено, что к 2015 году начнётся эксплуатация прибрежных хранилищ Метангидрат.[1-42]. Особенно заинтересована в освоении добычи метангидрата Япония. Эта страна стремится освоить коммерческую, промышленную добычу. [1-42]. Бурение в Сибири и на Аляске показало концентрацию газа в порах льда от 50 до 80 процентов. Морские залежи крупнее, но там заполняемость газом равна примерно 20 процентам. 1. Метангидрат 10000 2. Уголь, нефть, газ 3500 3. Растительный мир 1400 4. Вода 980 5. Животный мир 830 6. Торф 500 7. Прочие63 Рис. 1–4. Содержание органического углерода (в миллиардах тонн) в запасах метангидрата и в традиционных резервах топлива В России, в Сибири, есть месторождение Мессоякское – газовое поле, расположенное в вечной мерзлоте, – единственное место в мире, где обычный природный газ получают из метангидрата. Это довольно мощное месторождение, работающее уже много лет. От него проложен трубопровод до Норильска – крупного потребителя энергии. [1-42]. В отличие от вечной мерзлоты океанские запасы, как уже говорилось, состоят из двух частей: метанового льда, слой которого может превышать несколько сотен метров, и удерживаемого этим слоем газового пузыря.[1-42]. 1.2. Биотопливо третьего поколения Важным направлением в современной мировой биоэнергетике является широкомасштабное культивирование пресноводных и морских микроводорослей как продуцентов углеводородов, так и для производства дешевой биомассы. Выращивание зеленых водорослей в современных модернизированных системах биореакторов имеют существенные практические и экономические преимущества для производства биотоплива по сравнению с традиционными культурными растениями [1-43]. Фотосинтез играет абсолютно центральную роль во всех биотопливных производственных процессах, так как это первый шаг в преобразовании солнечной энергии (света) в химическую энергию и, следовательно, в конечном счете, отвечает за управление производством их запасов необходимых для синтеза топлива: протоны и электроны (для био-Н2), сахаров и крахмала (на биоэтаноле), масла (для биодизеля) и биомассы (для BTL и биометан). Следовательно, любое увеличение продуктивности фотосинтеза будет способствовать повышению конкурентоспособности производства биотоплива в целом. Экономическая эффективность производства биотоплив при конверсии солнечной энергии посредством фотосинтеза определяется эффективностью фотосинтеза. Наибольшей эффективностью фотосинтеза обладает сахарный тростник, использующийся для получния биоэтанола в Бразилии, и кукуруза, использующаяся в США для производства биоэтанола. Эти технологии могут быть экономически выгодными при стоимости нефти выше 40 долларов США за баррель, тогда как стоимость барреля биодизельного топлива составляет 80 долларов США. Таким образом, даже при незначительном повышении фотосинтетической эффективности ожидается значительное увеличение экономической конкурентоспособности производства биотоплив. В этом плане водорослb имеют различные преимущества по сравнению с классическими сельскохозяйственными культурами для производства биотоплива и могут быть сканированы для выделения видов с высокой фотосинтетической эффективностью. Культивирование водорослей, не требующее использования пахотных земель и лесной древесины, открывает новые экономические возможности для производства биотоплив в засушливых регионах. В отличие от обычных сельскохозяйственных культур, которые дают один или два урожая в год, микроводоросли имеют короткий жизненный цикл (~ 1-10 дней), что позволяет с одной и той же площади снимать несколько урожаев и даже создать непрерывный процесс. Производство водорослей позволит значительно снизить использование воды по сравнению с культивированием обычных сельскохозяйственных культур. В плане водоиспользования большой интерес представляют высокоурожайные морские микроводоросли, использующие морскую соленую воду и с их помощью получать водород и кислород из морской воды и использовать водород для топливных элементов с получением электроэнергии. Биомасса водорослей может быть использована для биогазификации с получением метана (в начале 80-х годов лаборатория ВИЭ МГУ им. М.В. Ломоносова и Институтом биохимии им. А.Н. Баха АН СССР была разработана такая технология) и диоксида углерода, которые могут быть использованы для каталитического производства жидких углеводородов (биобензина, биокеросина и биодизельного топлива). Широкие перспективы для создания высокоэффективных водорослей открывает современная генетика.[1-44]. НУЖНА ЛИ ПРОМЫШЛЕННАЯ БИОЭНЕРГЕТИКА РОССИИ, ЗАНИМАЮЩЕЙ ВЕДУЩЕЕ МЕСТО В МИРЕ ПО ЗАПАСАМ И ДОБЫЧЕ ИСКОПАЕМЫХ УГЛЕВОДОРОДОВ? В 2010 г. в России насчитывалось 33,8 млн. легковых автомобилей. Ежегодный прирост составляет 1.4 млн. шт. К 2030 г. прирост может составить 25.2 млн. шт., т. е. всего 59 млн. шт.; на 1000 чел. – 421 шт., что в 2 раза меньше, чем в США.[6]. Оптимистичный вариант совпадает с оценкой российских экспертов: 425 шт./1000 жителей [1–7]. По меркам США относительно общей численности населения в России должно быть 115.9 млн шт. легковых автомобилей. Нижеприведенный список отражает уровень автомобилизации населения ряда стран мира, то есть показывает количество индивидуальных автомобилей в стране, приходящихся на 1000 человек. [1–8]. США – 829; 2. Испания – 608; 3. Финляндия – 591; 4. Франция – 575; 5. Литва – 541; 6. Германия – 534; 7. Великобритания – 525; РОССИЯ -249. Средний пробег российского автомобиля – 16 700 км в год [1–9]. Средний годовой расход топлива на автомобиль 1670 л или 1252.5 к г. В 2030 г расход топлива на прогнозируемое количество авто составит 145 млн. т или нефти понадобиться более 500 млн. т/год при 70 % выходе моторных топлив(бензина, керосина и ДТ) при крекинге нефти. Натуральный объем продаж дизельного топлива в России в 20062010 гг вырос на 4,2 млн т, достигнув 31,6 млн т [1-10,]. Производство дизельного топлива в России в 2012 г. составило 79 млн. т. [1-11]. Прогноз максимального потребления общей суммы моторных топлив в 2017 г оценивается в 102.7 млн. т [1-12]. Добыча нефти в России по оценке Минэнерго в России в 2012 году достигнет рекордных 516–518 млн. тонн.[1-13]. Прогноз добычи нефти в России до 2030 года по макрорегионам, 600,0 млн. тонн [1-14]. Производство авиационного керосина в России составляет около 9 млн. тонн в год [1-15]. США останутся крупнейшим рынком для гражданской авиации (710 млн пассажиров на местных рейсах и 223 млн. – на международных). [1-17]. По итогам 2011 года количество пассажиров, воспользовавшихся услугами авиатранспортной системы РФ, составило около 110 млн.[1-18]. В США летает в 3 раза больше, чем все население, т. е. в Росси к 2030 г. может летать 420 млн. человек и расход керосина составит 25.7 млн. т/год (без учета ВВС) при протяжённости полета одного авиапассажира на внутренних авиалиниях 3200 км.[1-19]. Эффективность использования энергии является своего рода индикатором научнотехнического и экономического потенциала общества, позволяющим оценивать уровень его развития. Сопоставление показателей энергоэффективности экономики России с развитыми странами показывает, что удельная энергоёмкость нашего валового внутреннего продукта (ВВП) в несколько раз выше, чем в развитых странах. Уровень потребления электроэнергии в расчете на единицу сопоставимого ВВП в России выше, чем в США, в 2,5 раза, Германии и Японии в 3,6 раза. Это свидетельствует о значительных резервах экономии энергоресурсов в России, масштабы которых можно оценить ориентировочно в 40–50 % от уровня потребляемых топлива и электроэнергии. Энергоемкость ВВП превышает уровень, достигнутый в развитых странах Запада, в 3,5 раза, но это превышение неравномерно по отраслям. В сравнении с северными странами энергоемкость в российских добывающих отраслях, лесной, целлюлозно-бумажной, пищевой промышленности почти такая же, в обрабатывающих отраслях превышение до 2 раз, в производстве стройматериалов до 3–4 раз, в теплоснабжении и теплопотреблении в пересчете на 1 м отапливаемой площади в 4 раза. С учетом объемов теплопотребления станoвится ясно, что теплоснабжение определяет энергорасточительность экономики страны. По данным Министерства энергетики, можно оценить затраты топлива на теплоснабжение в 450–470 млн т у.т./год (3 т у.т. на чел./год). Это половина потребления топлива в стране, т. е. столько же, сколько тратится на все остальные отрасли промышленности, транспорт и т. д. вместе взятые. Потребление топлива теплоснабжением равняется всему [1-20]. Снижение всего на 20 % потребления только газа, составляющего в топливном балансе почти 60 %, позволит сократить затраты на топливо на 1 млрд долл. США и увеличить экспортный потенциал страны на 5 млрд долл. США ежегодно. Причем увеличение топливному экспорту страны. т. е., 320 млн. т/год жидких углеводородов. экспортного потенциала не потребует разработки новых месторождений и реконструкции газопроводов от мест добычи в центр страны (2–3 тыс. км). Удельные затраты на теплоснабжение сильно различаются по стране и составляют от 1 до 15 долл. США на 1 м /год. Население платит около 6 млрд долл. США в год, т. е. 40 долл. США чел./год или 5 % от своих суммарных доходов. Объем выработки тепловой энергии в России по сравнению с 1970 г. увеличился в 1,56 раза (с 1345 млн. Гкал/год до 2100 млн. Гкал/год), а количество потребленного топлива в 1,5 раза – с 280 до 420 млн. т у.т. (без учета расхода топлива на потребляемую электроэнергию), т. е. уровень энергоэффективности источников тепла практически не изменился несмотря на двукратное увеличение удельного потребления газа, значительное уменьшение доли печного и т. п. отопления. Удельный расход топлива на выработку тепла в среднем по стране составляет 200 кг у.т./Гкал. Вполне реально уменьшение удельного расхода до 150 кг у.т./Гкал, что эквивалентно уменьшению потребления топлива на 25 % т. е. на 105 млн. т у.т., за счет повышения КПД котлов и увеличения доли комбинированной выработки тепла и электроэнергии. Суммарные тепловые потери в сетях составляют около 450 млн. Гкал/год. (450 млн. х млн. ккал/год) или 47.4 млн. т/год топочного мазута (ТМ) марки М100. Потенциал экономии за счет прогрессивных способов теплоизоляции, оперативного устранения утечек, уменьшения диаметров трубопроводов, частичной децентрализации теплоснабжения концевых потребителей составляет около 300 млн. Гкал/год. Или 31.6 млн. т ТМ. Объем теплопотребления по стране составляет около 1650 млн. Гкал/год. = 173.8 млн. т ТМ. Половина тепла расходуется на теплоснабжение жилых зданий, в том числе на отопление около 600 млн. Гкал.= 63.2 млн. т ТМ. При общей площади жилого фонда 2,8 млрд. м [3] удельный расход тепла на отопление составляет 0,22 Гкал/м год [121]. В 2013 году – производство тепловой энергии в России составило 618,4 млн. Гкал (65.1 млн. т ТМ) – прогноз ФСТ[1-22]. Потребление электроэнергии в 2013 году в России прогнозировалось на уровне 1064,6 млрд. кВт ч, что на 4,1 % больше показателя 2011 года и на 2,1 % превышает ожидаемое потребление в 2012 году. Объемы потребления электроэнергии населением прогнозировалось на уровне 146,4 млрд. кВт ч, что на 1 % больше плана 2012 года.[1-23]. Предполагается, что доминирующим энергоносителем первой половины ХХI века будет природный газ. Его использование в качестве основного топлива обеспечит высокую энергетическую и экономическую эффективность производства. Рис. 1–5. Структура производства электроэнергии в России. [1-24]. Удельный расход топлива на выработку тепла в среднем по стране к 2030 г. может составить 150 кг у.т. В 2030 г. Россия должна будет затратить на теплоснабжение населения по меркам Москвы 97.7 млн. т у.т. или 97700 млн. кг у.т., что эквивалентно 71989.5 млн. кг топочного мазута, что потребует переработать 145.7 млн. т нефти. Для замены этого количества топочного мазута потребуется в год 600 млн. м дров стоимостью 600 млрд. руб.[1-25]. Потребление электроэнергии на жителя г. Москвы составляет 1400 кВт час/год, для России – 1100 кВт час/год, для США -3500 кВт час /год.[1-27]. К 2030 г. Для всех жителей России потребление электроэнергии может составить по меркам г. Москвы – 200480 млн. кВт час/год или 200.5 млрд. кВт час/год, по меркам США – 500 млрд. кВт час/год или 47 % от производства электроэнергии в 2012 г.[1-28]. Рис. 1–6. Зоны централизованного и распределенного теплоснабжения РФ.[1-26] Структура производства электроэнергии на электростанциях России в 2000 году: ТЭС – 67 %; 582,4 ГВт. ч;; АЭС – 15 %; 128,9 ГВт. ч. ГЭС – 19 %; 164,4 ГВт.ч К 2020 г. прогнозируетя производить 1620 млрд. кВт час /год электроэнергии, на ТЭС придется до 1069 млрд. кВт час/год. На ТЭС придется 66 %, АЭС – 20.7 %, ГЭС – 13.3 %. Объем производства электроэнергии на ТЭС европейской части страны – 80 % от суммы всех ТЭС России. В 2001 г. ТЭС европейского региона потребили 150 млрд. куб. м природного газа или 95 % от общего объема потребления всей страны.[1-29]. Для производства электроэнергии в 2020 г. потребуется 185–190 млрд. куб. м газа в год. 95 % придется на европейскую часть страны. 186 млрд. м газа дадут 610 млрд. кВт ч/год электроэнергии или 57 %, на уголь и мазут – 43 % или 163.8 млн. ту.т., или 15.5 млн. т топочного мазута и 144.5 млн. ту.т. угля. Соотношение затрат топлива на производство электроэнергии и тепловой энергии на ТЭС равно 2.9 на примере Абаканской ТЭЦ[1-30]. Когенерация – комбинированный процесс одновременного производства тепла и электроэнергии [1-31]. Когенераторная установка вырабатывает электроэнергию и тепловую энергию в соотношении 1:1,5. Если к 2050 г. ВВП России на душу населения выйдет на современный уровень ВВР США, то российский ВВП должен будет составить 6.54 трлн. Долл. в год, а производство электроэнергии 1770 млрд. кВт ч/год, т. е. дельта по отношению к выработке электроэнергии в 2010 г. составит 770 млрд. кВт ч/год. Таблица. 1-7 Внутренний валовый продукт и производство электроэнергии в США и России По постановлению Правительства РФ (январь 2009 г.) к 2020 г. производство электроэнергии должно вырасти до 1700 млрд. кВт ч/год. Вклад ВИЭ должен составить 4.5 %. Если взять производство электроэнергии по данным США – 1770 млрд. кВт ч/год, то вклад ВИЭ должен составить 79.7 млрд. кВт ч/год. По данным 2009 г. производство электроэнергии из отходов АПК (отходы КРС, Свиноводства- крупных хозяйств и птицефабрик) может составить 82.43 млрд. кВт ч/год, то есть перекрывает прогноз Энергетической стратегии России к 2020 г по получению электроэнергии из ВИЭ. Производство биоэтанол в США – это военно-стратегическая и политическая цель США. Широкое развитие масштабного производства автобиоэтанола из кукурузы в США имеет военно-стратегическое значение на случай возникновения непредвиденных обстоятельств: войны, терактов, крупных природных катаклизмов, и т. д. 207 спиртовых заводов с общей производительностью 48.3 млн. т/год этаола. Производство бензина 1.17 млрд. т/год. Газохол – 3.7 %. Евросоюз и США всерьез взяли курс на развитие альтернативных источников энергии. ЕС объявил о необходимости увеличения финансирования 10-летней программы развития альтернативной энергетики на 50 млрд. евро. Ожидается, что к 2020 году в развитых странах 20 % всей потребляемой энергии будет вырабатываться без сжигания нефти и газа. Все это нанесет мощный удар по России, которая пока по-прежнему делает ставку на экспорт углеводородов. На сегодняшний день биотопливо является самым распространенным видом альтернативной энергии в США. На его долю приходится примерно 53 % выработки альтернативной энергии. Далее следует гидроэнергетика – 36 %; на геотермальные источники и энергию ветра приходится по 5 %, на солнечную энергию всего 2 %.[1-32]. МИРОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ РЫНОК (2007–2030 годы) 2007 год Нефть – 36.5% Газ – 23.5% Уголь – 27.7% АЭС – 5% ВИЭ (с ГЭС) 6.3% 2030 год Нефть – 23.5% Газ – 20% Уголь – 25% АЭС – 10% ВИЭ (с ГЭС) -21.5% К 2030 г. Потребление ВИЭ с ГЭС в мировой энергетике возрастет с 6.3 % до 21.5 %, АЭС с 5 % до 10 %, а потребление ископаемых энергоносителей снизится: нефти на 13 %. Газа- на 3.5 %, угля – на 2.7 %. Расход тепловой энергии в России на обогрев зданий в 4–5 раз выше, чем в Финляндии и Норвегии (наиболее близкие по климатическим условиям). КРЕКИНГ НЕФТИ: Бензин – 20% Керосин – 9.5% ДТ – 19% Мазут топочный 49.4 % [1-33]. «… "сырьевая игла", на которой уже давно "сидит" российская экономика, немного проржавела», Россия «достигла пределов развития и в ближайшие годы нефтяная промышленность начнет идти вниз. При этом компании будут тратить колоссальные деньги даже на то, чтобы хоть как-то поддержать ее на прежнем уровне. По их оценке в 2013 г., падение будет находиться в пределах статистической погрешности – "процент-два". Затем в течение 3–5 лет динамика добычи нефти в России будет находиться на некоем плато. После этого возможно ускорение темпов падения добычи "черного золота" в России – до 5–7% в год. Даже несмотря на колоссальные затраты [1-34,1-35]. Таблица.1-8 Прогнозные данные по добычи необходимого количества нефти для производства основных моторных топлив (бензин, керосин, дизельное топливо) в 2030 г. для России МТ – моторные топлива Ранее указывалось, что дефицит может составить 300 млн. тонн нефти в год. При переходе на современные технологии крекинга он может уменьшится до 180 млн. тонн нефти в год. Кроме возможного дефицита добычи нефти на изменение сырьевой структуры моторных топлив в России могут оказать значительное влияние стоимости добычи нефти. Но значения этих величин в зависимости от стран добычи нефти по разным источника отличаются. По данным одного из российских экспертов – А. Хайтуна в 2009 г. себестоимость добычи нефти на Ближнем Востоке и в Ливии составляет 2–6 $ за баррель при глубине залегания до 2 км. Нефть расположена вблизи океанских портов, что резко сокращает транспортные издержки. В России себестоимость добычи нефти оценивается в 6-14 $ за баррель без полного учета затрат на создание и поддержание инфраструктуры, при крайне низкой заработной плате… Себестоимость нефти с новых месторождений ввиду увеличения глубины залегания пластов достигнет 22–24 $, даже если не полностью учитывать удорожание инфраструктуры. Стоимость транспортировки российской нефти в несколько раз выше транспортировки ближневосточной: средняя дальность доставки по нефтепроводам превышает 3000 км (Ливия – 600 км, Норвегия -1000 км); часть поставок производится на морских судах и железнодорожном транспорте, тогда как основную массу мировых поставок нефти из Ближнего Востока осуществляют океанские суда (в десятки раз дешевле железнодорожного транспорта). [36]. В настоящее время Россия обеспечивает 26 % потребления и 66 % импорта природного газа в страны ЕЭС. Среднее транспортное плечо для газа по России – 2200 км, а при экспорте (если учесть страны СНГ) – порядка 3700 км. Себестоимость российского газа на скважине 4 долл. США за 1000 кубометров. Это последний относительно «дешевый» газ: себестоимость газа со Штокмановского месторождения по расчетам поднимется до 5,7–6,0 долл. США за 1000 м. Средняя цена транспортировки из России может вырасти вдвое. Экспорт газа из Западной Сибири, уже сейчас идет до середины Франции. Далее, к западу континента, экспорт российского газа нерентабелен. [1-36]. Сильным конкурентом выступают новые газовые месторождения Прикаспия, Ливии и Алжира, а также Центральной Африки, транспортные плечи которых существенно короче, а условия добычи, как минимум, не хуже. Вместе с тем, имеется уверенность в масштабном экспорте на Европейский рынок больших количеств российского природного газа. Итак, значительная часть разведанных ресурсов России, а тем более перспективных, неконкурентны на мировом и, особенно, европейском рынках. [1-36]. Другой эксперт Евгения Корытина в статье «Нефть за 3 доллара», опубликованной в 2011 г.[1-37] писала, что «… легкая нефть, дешевая рабочая сила и электроэнергия позволяют российским компаниям сохранять низкий уровень себестоимости добычи по сравнению с иностранными конкурентами. Так, «Роснефть» на баррель нефти тратит 2,6 долл., в то время как ExxonMobil «бочка» обходится в пять раз дороже – 10,3 долл. Самые низкие затраты на баррель добычи в 2009 году продемонстрировала «Роснефть» – 2,6 долл., самые высокие издержки были у «Башнефти» – 7,3 долл. за баррель. Себестоимость добычи у российских компаний самая низкая в мировой нефтяной отрасли (табл. 1–9). Таблица. 1-9 Стоимость добычи нефти в 2009 году (долл. за баррель) [1-37] Однако, по другим источникам стоимость добычи барреля нефти в Саудовской Аравии в 2008 г. составляла 2 долл. США [1-38], тогда, как в российской нефтяной компании Роснефть себестоимость добычи одного барреля нефти составляла в среднем 14,57 долларов. [139]. В 2002 г. по данным Эрвин Скорецкого [1-40] соотношение стоимости добычи нефти по странам было следующим: США (суша) 14–27, США (шельф) 10 – 18, Норвегия 12 – 17, Мексика 7 – 12, Южн. Америка 7 – 10, Аляска 5 – 7, Кувейт 1 – 2, Ирак 0.5 – 0.7, Сауд. Аравия 0.4 – 1, Россия 5 – 10. По мнению А. Хайтуна российский сырьевой рынок ждут трудные времена. [1-36]. «Значимость экспорта нефти и особенно газа для экономики страны не подлежит сомнению». В политическом аспекте экспорт природного газа и нефти – главный инструмент, позволяющий стране участвовать в определении стратегии развития современной Европы. Сегодня перспектива развития нефтяной отрасли на период до 2015 года в России базируется на старых освоенных районах, где доля трудно извлекаемых запасов составляет уже около 60 %. Возобновление ископаемых углеводородных энергоресурсов в нашей стране в XXI веке может происходить только за счет освоения минерально-сырьевых ресурсов Сибири, Дальнего Востока, шельфов арктических морей. Это очень дорогостоящие проекты, требующие не одного десятка миллиардов долларов. Естественными условиями долгосрочных капиталовложений становятся гарантии окупаемости вложений и обеспечения приемлемой рентабельности проектов.».[1-36]. Россия в исторической перспективе диктовать на Европейском рынке энергоресурсов не может. Условия добычи и стоимость транспорта нефти на рынки Европы из Саудовской Аравии и из Тюмени, а в дальнейшем – арктических шельфов, также не в нашу пользу. Неконкурентоспособность продукции северных регионов уже давно предопределена недальновидной стратегией развития Севера России. Были созданы ненужные в столь суровых районах города, размещена избыточная промышленность.[1-36]. Россия неконкурентоспособна на мировом и европейском рынках энергоресурсов по определению, в силу своих географических и природно-климатических условий. Однако именно в этих районах находится 60–95 % важнейших ресурсов России: энергоносителей, редких металлов, золота, леса. Особенно неблагоприятны условия добычи энергоносителей, которые не относятся к продукции с высокой удельной стоимостью, как, например, золото. Кроме того, внутриматериковое расположение месторождений энергоресурсов, отдаленное на тысячи километров от районов потребления, обусловливает неизбежность транспортировки нефти и газа почти целиком по суше (трубопроводами). [1-36]. Экспортные нефтепроводные мощности увеличатся со 125 млн тонн в 2000 году до 400 млн тонн в 2020-м, экспортные газопроводные – со 185 до 382 млрд. кубометров. Все эти трубы, чтобы окупить их строительство, надо будет чем-то заполнять. Чем? Ответ дан в докладе об Энергетической стратегии страны до 2030 года, подготовленной Министерством энергетики. Предполагается, что добыча газа в России едва ли не удвоится, достигнув 1 трлн кубометров в год при экспортных поставках в 350–370 млрд кубометров. Добыча нефти в благословенном 2030-м должна превысить 530 млн т, а экспорт – 330 млн тонн.[1-41]. Ведь эти рекордные объемы углеводородов надо, во-первых, добыть и, во-вторых, продать. Три четверти всех разведанных запасов газа сосредоточены в 21 крупном месторождении. Большинство из них уже вовлечены в разработку не менее 15 лет. Четыре крупнейших (Уренгойское, Ямбургское, Медвежье и Вынгапурское) дают до 80 % всей добычи. И уже вступили в фазу падения добычи. Для резкого роста ныне сторнирующей газодобычи нужны вовлечение в оборот глубинных газосодержащих слоев на этих месторождениях (так называемых ачимовских пластов) и ввод в строй новых месторождений. Последние есть только на Ямале и на шельфе северных морей (например, Штокмановское). Потребуются колоссальные силы и средства на их освоение. [1-41]. Кроме того, не назовешь безоблачной и перспективу продаж газа на экспорт. По данным International Energy Agency, роль российских поставок на рынок ЕС неуклонно снижается. Давление со стороны сланцевого газа может привести к снижению физических поставок, как это уже было в 2009 году. [1-41]. Но не все так мрачно. Выход есть! Необходимо интенсивно развивать более глубокую переработку нефти и природного газа, развивать нефтехимию и газохимию, активно развивать новые технологии переработки древесины и другой биомассы (водорослей) в разнообразные углеводородные продукты. Генеральный директор ОАО «ВНИПИНЕФТЬ» Владимир Капустин пишет, что «… наука в сфере переработки и нефтехимии ещё сохранилась в нашей стране, да и уровень не хуже, а то и выше мирового. Например, Институт нефтехимического синтеза им. А.В. Топчиева РАН, возглавляемый академиком Саламбеком Хаджиевым, Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН, возглавляемый академиком Валентином Пармоном, выполняют современнейшие высокотехнологичные разработки в области нефтехимии и нефтепереработки. Однако то, что сегодня есть у них, – это на уровне пилотных полупромышленных установок. В промышленность же их не пускают по разным причинам – из меркантильности, из желания купить западные технологии». [1-41]. Таким образом, в ближайшие десятилетия могут возникнуть две важнейших причины, которые могу оказать существенное влияние на изменение сырьевой структуры для производства моторных топлив, электроэнергии и тепловой энергии в России: 1) дефицит добычи нефти и 2) повышение ее стоимости. И поскольку основным потребителем российского рынка углеводородов будут моторные топлива, то замену нефтепродуктов-моторных топлив надо искать среди возобновляемых источников энергии. И первым претендентом на это место является биоэнергетика: биоэтанол, биобутанол, биометан-биогаз, биоводород, син-газ, биобензин, биокеросин и биодизель. Потенциальные объемы производства биотоплив из биомассы в России в ближайшие десятилетия могут составить более 800 млн. ту.т./год, и не будут уступать объемам ежегодной добычи нефти, угля или природного газа, (без учета биотехнологического восстановления дебита нефти на старых промыслах) (Годовой энергобаланс России – более 1600 млн. ту.т.). Шесть китов» современной сырьевой базы для потенциального производства биотоплив в России: 1. ОРГАНИЧЕСКИЕ ОТХОДЫ АГРОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА.(80 млн. т у.т./год к 2020 г. – 154 млн. ту.т.), 2. ОТХОДЫ ЛЕСОПРОМЫШЛЕННОГО КОМПЛЕКСА И ДЕРЕВООБРАБОТКИ. (20 млрд. ту.т. – всего; ежегодно можно производить до 820 млн. ту.т. – интенсивная технология), 3. ТОРФ (Всего -60 млрд. ту.т. 10.7 млрд. ту.т. промышленный фонд, 100 млн. ту.т./год), 4. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ПЛАНТАЦИИ (минимум 270.9 млн. ту.т./год, 19.5 млн. га – 20 %, биогаз – 228.5 млн. ту.т., этанол – 41.9 млн. ту.т.), 5. БИОГАЗИФИКАЦИЯ ОСТАТОЧНОЙ НЕФТИ (21.5 млрд. тонн извлекаемой нефти с 1965 г.– 43 года), 6. ДОБЫЧА МЕТАНГИДРАТОВ (общие запасы – 10 трлн. тонн или 1 блрд. куб. м). Более того, Россия в ближайшем будущем может поставлять 510 % мирового рынка биотоплив (т.з. западных экспертов). Потенциальные возможности России в плане широкомасштабного производства биотоплив огромны, но в настоящее время ее отставание от ведущих стран достаточно велико. Важная роль в решении указанных проблем на современном этапе развития мировой экономики также отводится производству и использованию биотоплив. Может ли фотосинтез на территории России обеспечить достаточный вклад биомассы в энергетику страны без ущерба природопользованию? МОЖЕТ!!! По данным американских экспертов (конец 80-х годов ХХ столетия) для США вклад биомассы в энергетику страны не должен превышать 15 % от общего энергобаланса. Если оценивать потенциальные возможности современной России по вкладу растительной биомассы в энергетику, то эта цифра составит 255 млн. ту.т., или 1 млрд. куб. м общей древесины в год. Отходы – 222 млн. ту.т. То есть ежегодно нужно будет вырубать 1/80 лесного массива России, или на восстановление допускается 80 лет. Совместно с потенциальными возможностями АПК (только отходы) общий объем биотоплива к 2020 г. может составить 376 млн. ту.т Швеция_при площади лесов 226 тысяч кв. км ежегодно заготавливает 80 млн. куб. м стволовой древесины. Если это соотношение экстраполировать на площадь лесов России, то ежегодная заготовка стволовой древесины может составлять 2.96 млрд. куб. м, или 1.48 млрд. тонн, что по энергосодержанию равно 740 млн. т у. т./год. Энергосодержание отходов лесосеки и деревообработки может составить 670 млн. ту.т. Итого: 824 млн. ту.т.(с АПК) Таблица.1-10 Виды российских биотоплив, тип сырья, внутреннее потребление и экспорт Сырьевые возможности российской биоэнергетики не уступают ископаемым углеводородам: нефти, газу и углю. Это энергетическая и продовольственная безопасность России. Совершенно очевидно, что проблемами российской биоэнергетики должно активно заниматься государство, разработав соответствующую государственную программу с правовым ее обеспечением. 1.3 История развития промышленной биоэнергетики в России Известный русский микробиолог, член-корр. АН СССР С.И. Кузнецов и созданная им научная школа в 60-х – 70-х годах ХХ столетия экспериментально обосновали, что процессы деструкции органических веществ до метана имеют широкое распространение в осадочных отложениях в настоящее время и что промышленные месторождения природного газа – продукт биологических процессов, протекавших ранее. [45]. Промышленный эксперимент, проведенный С. И. Кузнецовым на нефтепромыслах Поволжья в 1956 г. по использованию биогазовых технологий для увеличения дебита оставшейся в залежах нефти объединил биологию и большую энергетику, и, фактически, был «предтечей» создания Отечественной (но возможно и мировой) биоэнергетики. Становление отечественной Промышленной Биоэнергетики в СССР было связано с крупномасштабным применением биогазовых технологий для решения ряда народнохозяйственных задач: эффективной переработки осадков сточных вод больших городов-миллионников, таких, как г. Москва, и промышленного производства кормового препарата витамина В-12 с целью повышения эффективности откорма и продуктивности отечественного животноводства и птицеводства. Теория биологического происхождения природного газа и современные научные и технические достижения еще в 1964 г. позволили сделать вывод о возможности промышленной биоконверсии биомассы в метан в масштабах достаточно близких к современной добыче природного газа. Метан, как ископаемый, так и образующийся в современной биосфере, является конечным продуктом сложной цепочки превращения продуктов фотосинтеза в анаэробных, без доступа воздуха, условиях. То есть, «новейший» метан современной биосферы и, возможно, значительная часть разведанного ископаемого метана содержит в себе законсервированную энергию Солнца. nCO + nН2О (энергия солнца) ? (СН2О)n + nО2 фотосинтез (СН2О)n + n Н2О (анаэробный биопроцесс) ? nСН4 + nCO Важное место в решении этих задач современной биоэнергетики играют биогазовые технологии, одновременно решающие проблемы: экологии, энергетики, агрохимии и сельскохозяйственного производства, социальные. Какой же вывод следует из всего вышесказанного? От существующих технологий производства энергии необходимо постепенно переходить к технологиям, основанным на использовании ЭНЕРГИИ СОЛНЦА И ЕЕ ПРОИЗВОДНЫМ (ветер, биомасса, гидро- и т. д.), которые позволят сохранить круглогодичный баланс СО в атмосфере в соответствии с коротким циклом круговорота углерода и одновременно, минимизировать тепловое загрязнение атмосферы за счет производства тепловой энергии.[1-45]. БИОМАССА ЯВЛЯЕТСЯ ПОСТОЯННО ВОЗОБНОВЛЯЕМЫМ ИСТОЧНИКОМ ТОПЛИВА. Академик А.И. Опарин. 1901–1968 г Академик В.Н.Шапошников 1894 – 1980 г. Академик Н.Д. Иерусалимский 1901 – 1967 г. Академик Е.Н. Кондратьева 1925 – 1995 г. Чл. – корр. АН СССР С.И Кузнецов 1900–1987 г. Чл. – корр. АН СССР В.Н.Букин 1899 – 1979 г. Рис. 1–7. Отечественные ученые и специалисты – основатели промышленной биоэнергетики СССР. Академик АН СССР В.Н. Шапошников; член. – корр. АН СССР С.И. Кузнецов; Академик АН СССР А.И. Опарин; член-корр. АН СССР В.Н. Букин; Академик АН СССР Н.Д. Иерусалимский; академик АН СССР Е.Н. Кондратьева; инженер-технолог И.С. Логоткин; профессор В.Я. Быховский; доктор биологических наук Е.С. Панцхава. Инженер-технолог Логоткин И.С 1902 – 1985 г. Проф., д-р биол. наук Быховский В.Я 1935 – 2001 г. Панцхава. Е.С. Международный опыт по масштабной реализации биотехнологий в энергетике требует активного содействия государственных структур и разработки соответствующих государственных программ. Государственная программа должна скоординировать и объединить усилия специалистов науки и КБ, а также машино-строительные предприятия и компании по широкому внедрению ВИЭ в регионах страны. Потенциальные объемы производства биотоплив из биомассы в России в ближайшие десятилетия могут составить в год около 1500 млн. ту.т./год, и не будут уступать объемам ежегодной добычи нефти, угля или природного газа, годовой энергобаланс России – более 1600 млн. ту.т. Россия обладает большим опытом промышленного производства биотоплив из биомассы. СССР было первой страной в мире, которая в конце 60-х годов прошлого столетия освоила широкомасштабное промышленное производство биотоплив (биобутанола, биоэтанола, биоацетона, биоводорода и биогаза) из биомассы (мелассы-отхода сахаро-производства из сахарной свеклы).[1-45]. В настоящее время ежегодный объем производимых органических отходов агропромышленного комплекса (АПК) и городов по всем регионам России в сумме составляет почти 700 млн. тонн (260 млн. т по сухому веществу): 350 млн. т (53 млн. т с.в.) – животноводство, 23 млн. т (5.75 млн. с.в.) – птицеводство, 220 млн. т (150 млн. т с.в.) – растениеводство, 30 млн. т (14 млн. т с.в.) – отходы перерабатывающей промышленности, 32,5 млн. т – деревообработка 56 млн. т (28 млн. т с.в.) – твердые бытовые отходы. Из этого количество отходов можно ежегодно получать до 73 млрд. куб. м биогаза (57 млн. тут.), до 90 млн. тонн пеллет или 75 млн. т «сингаза», который можно конвертировать в 160 млрд. куб. м водорода, а также получить до 330 тысяч тонн этанола, или до 88 млн. куб. м водорода и до 165 тысяч тонн растворителей (бутанола и ацетона).[1-45]. Сельское население России, согласно последней переписи, составляет 39 миллионов человек. Для обеспечения этого количества сельского населения газообразным топливом (приготовление пищи, горячая вода, отопление 8 месяцев) потребуется в год до 14.2 млрд. куб. м. Современное сельское хозяйство России потребляет в год 2 млн. т бензина и 4.8 млн. т дизельного топлива. По многолетним исследованиям советских и российских специалистов 1 л бензина или д. т. может быть заменен 1 куб. м природного газа в сжатом состоянии. 1 куб. м пр. газа эквивалентен 2 куб. м биогаза. Для нужд транспорта и с/х машин потребуется для замещения традиционного топлива до 17 млрд. куб. м биогаза, для всего АПК – 31.2 млрд. куб. м Биоэнергетика – это энергетические технологии и оборудование для переработки биомассы. Биотехнологии заложены в основу энергетических технологий, из чего следует, что энергетические технологии первичны к биотехнологии. Используя только биологические технология невозможно решить задачи стоящие на сегодняшний день перед малой энергетикой – «Биоэнергетикой». Развивающаяся российская «Биоэнергетика» по своей масштабности и значимости решает более широкий круг вопросов, лишь частично сопряженных с биотехнологией. Как свидетельствует мировой опыт, биоэнергетика должна развиваться как самостоятельный сектор экономики в рамках «большой» российской энергетики и в рамках Государственной программы по развитию биоэнергетики (далее – Госпрограмма). При выполнении задач Доктрины продовольственной безопасности произойдёт увеличение поголовья крупного рогатого скота, свиней и птицы, что приведет к резкому увеличению отходов до 1200 млн. тонн. Биоэнергетика позволит так же решить задачи переработки отходов лесопромышленного, пищеперерабатывающего комплексов, стоков ЖКХ. Перед страной поставлена серьезная задача по увеличению использования ВИЭ в общем объеме производства энергии с 1 % до 4,5 % к 2020 году. Решение поставленных задач на 80 % возможно за счет биоэнергетики. Литература 1-1.Энергетическая стратегия России на период до 2020 года, www.wood-pellets.com. 1-2.Панцхава Е.С., Будущее мировой энергетики-водород биофотолиза воды, Энергия, № 10, 2011, стр. 11-17 1-3.Михайлов А, Кризис изобилия, g. Газета. гц. 1-4.Терентьев Г.А. и др., Моторные топлива из альтернативных сырьевых ресурсов., Химия, 1989 г. 1-5.Кузнецов Б.Н., Моторные топлива из альтернативного нефти сырья., Химия 2000, www.pereplet.ru. 1-6.Количество легковых автомобилей в России на середину 2010 года. serega.icnet.ru. 1-7.Прогноз потребления МТ РФ 2008–2017..www.rsppenergy.ru. 1-8.Материал из Википедии – свободной энциклопедии, ru.wikipedia.org. 1-9.Средний пробег российского автомобиля – 16 700 км в год (Новости autokadabra.ru. 1-10.Анализ рынка дизельного топлива в России в 2006–2010 гг, прогноз на 2011–2015 гг, www.sakhalin.biz. 1-11.Производство дизельного топлива в России в 2012 г., portnews.ru. 1-12.Прогноз потребления МТ РФ 2008–2017.Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки. 1-13. Минэнерго: добыча нефти в России в 2012 году достигнет рекордных 516–518 млн тонн., www.gazeta.ru. 1-14.Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А. А. Трофимука СО РАН), www.expert.ru. 1-15.Производство авиационного керосина в России составляет около 9 млн тонн в год, www.maгketing.гbc.гц. 1-16..Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки. www.transday.ru. 1-17. Airline Industry Forecast (Airline Industry Forecast 20122016, IATA), www.iata.org. 1-18. Росавиация: По итогам 2011 года количество пассажиров составит около 110 млн., www.finam.ru. 1-19. Алексей Синицкий, Итоги работы гражданской авиации России в 2011 году, www.ato.ru. 1-20.Теплоснабжение Российской Федерации в цифрах, www.rosteplo.ru 1-21. Теплоснабжение Российской Федерации в цифрах, www.rosteplo.ru 1-22.В 2013 году производство тепловой энергии в России, inmarket.ru. 1-23.Эненргетика России сегодня и завтра, www.ecoatominf.ru. 1-24. «ВНИПИэнергопром», www.expert.energosovet.ru. 1-25. Стоимость различных энергоносителей, используемых для отопления и их затраты для получения 1 кВт тепловой энергии, www.prokotel.ru 1-26.Зоны централизованного и распределительного тeплоснабжения России, www.omc.zouo.ru 1-27.Потребление электроэнергии на жителя г. Москвы, s.mos.ru. 1-28.Анализ итогов деятельности электроэнергетики за 2011 год, прогноз нп 2012 год, minenergo.gov.ru. 1029.Воронин В.П, Перспективы развития электроэнергетики в условиях либерализации газового рынка, www.rao-ees.ru. 1-30. На Абаканской ТЭЦ установлен рекорд производства электроэнергии www.sibgenco.ru/news/item-164 1-31. Когенерация – комбинированный процесс одновременного производства тепла и электроэнергии., www.energycenter.ru. 1-32. Альтернативная энергия в США, www.omc.zouo.ru. 1-33.Крекинг нефти, www.energyfuture.ru. 1-34.Кузмичев В., В России заканчивается нефть, Росбалт, 05/01/2012 1-35.Институт нефтегазовой геологии и геофизики им А.А. Трофимука СО РАН, www.expert.ru. 1-36.Хайтун А., Россия на энергетическом рынке Европы, www.opec.ru. 1-37.Корытина Е., «Нефть за 3 доллара» Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки.. 1-38.Нтересных фактов о нефти, которых вы не знали, vseobefti.ru. 1-39. Стоимость добычи нефти в России, rusanalit.livejournal.com. 1-40.Скорецкий Э., Цена нефти, www.port-folio.org. 1-41. Калашников М., Нефтяной кризис в РФ неминуем, newsland.com. 1-42.НиколаевГ., Будет ли переворот в энергетике? „Наука и жизнь“ № 9 Наука на марше, www.nkj.ru. 1-43.Изменение климата и необходимость замены ископаемых видов топлива, Solar Biofuels The Consortium, NATURE 395 (1998) 881884.) 1-44. Steady as she goes, in The Economist: London.,2006, p. 65–67. 1-45. Е.С. Панцхава и др., Биогазовые технологии, МГУИЭ, Центр «ЭКОРОС» Москва,2008. 1-46. Эксперт: Через семь лет нефти в России станет меньше… news.rambler.ru. 1-47. Нефть – Википедия., ru.wikipedia.org. 1-48. Кризис изобилия Алексей Михайлов эксперт Центра экономических и политических исследований (ЭПИцентр), g. Газета.т. 1-49. Крупнейшие экспортёры и импортёры нефти., Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки. 1-50. Китай в 2012 году увеличил импорт нефти на 6,8 проц., Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки. 1-51. Расклад сил на мировом рынке нефти., Ошибка! Недопустимый объект гиперссылки. 1-52. Немного o биотопливах., www.zelife.ru. Глава 2. Биомасса 2.1. Биомасса – сырье для производства топлив и энергии Научно-техническое промышленное направление «Получение твердого, жидкого, газообразного топлив, электрической и тепловой энергий из биомассы посредством термохимических технологий и биотехнологий» относится к общеэнергетической проблеме «Промышленная биоэнергетика». Решение проблем Биоэнергетики определяется развитием таких направлений, как: 1. изыскание и создание крупномасштабных, высокопродуктивных источников биомассы (фотосинтез, производство древесной биомассы, промышленное разведение растений – продуцентов углеводородов, производство углеводсодержащей непищевой биомассы, производство водной биомассы, использование твердых отходов городов); 2. биотехнологическая конверсия (получение этилового и других спиртов, органических кислот, растворителей из различных видов биомассы, получение биогаза и водорода; 3. термохимическая конверсия (прямое сжигание, газификация, пиролиз, сжижение, фест-пиролиз, синтез) для получения жидкого, твердого и газообразного топлива (рис. 1). Содержание биомассы в биосфере оценивается в 800 млрд. т [21], причем 90 % приходится на древесину, из них 70 млрд. т накапливается в континентальных лесах с общим энергосодержанием, втрое превышающим современное мировое потребление энергии. Для сравнения – разведанные запасы угля оцениваются в 500 млрд. т, нефти – 200 млрд. т, природного газа -100 млрд. т (по углю) [2-16]. Биомасса – продукт фотосинтеза – самого мощного на планете преобразователя солнечной энергии – и последующей многообразной пищевой цепочки, основной источник топлива и энергии, включая и ископаемые органические топлива, как конечный продукт переработки древнейшей биомассы. Биомасса – это растительный и животный мир и продукты их физиологической и технической переработки, включая многочисленные органические отходы. Биомасса или Биоресурсы – это мощный потенциальный мировой источник топлив и сырья для химии. Биомасса, как производная энергии Солнца в химической форме, является одним из наиболее популярных и универсальных ресурсов на Земле. Она позволяет получать не только пищу, но и энергию, строительные материалы, бумагу, ткани, медицинские препараты и химические вещества. Биомасса используется для энергетических целей с момента открытия человеком огня. Сегодня топливо из биомассы может использоваться для различных целей – от обогрева жилищ до производства электроэнергии и топлив для промышленности и сельского хозяйства. Биомасса является биологическим материалом фауны и флоры земной биосферы. И рассматривается как возобновляемый источник энергии автомобилей. [2–2,2-3] Биомассы может использоваться непосредственно, либо косвенно при превращении в другой вид энергии, например, в различные виды биотоплив. Человечество использует биомассу с древних времен как источник энергии. В наше время этот термин может быть упомянуты в двух смыслах В первом смысле, растительная биомасса используются либо для выработки электроэнергии (с помощью паровых турбин или газогенераторы), или для производства тепла (через прямое сжигание). Древесина и древесные отходы остаются основным источником энергии биомассы сегодня. Во втором смысле, она включает биомассу растительного и животного происхождения, которая может быть преобразована в химические и энергетические продукты, включая биотопливо. К промышленной биомассе относятся различные виды растений: мискантус, просо, конопля, кукуруза, тополь, ива, сорго, сахарный тростник, бамбук, и различные породы дерева, начиная с эвкалиптом, чтобы пальмового масла (пальмовое масло). За последние десять лет производство этих растений увеличилась на 14 % В США, альтернативные источники электроэнергии производят около 13 % электроэнергии;. Биомасса обеспечивает приблизительно 11 % от альтернативных производств энергии. В настоящее время энергетические потребности мира составляют ~ 11–12 млрд. т условного топлива (у. т.) и удовлетворяются за счет нефти и газа на 58–60 %, угля – на 30 %, гидро- и атомной энергии – на 10–12 % [2–4]. Разведанные запасы нефти, угля и газа приведены в табл. 1 и 2 [2–5]. В качестве источника энергии используется также растительная биомасса [2–6] (дрова и др.) – порядка 1 млрд. т у.т., или 0,7 млрд. т нефтяного эквивалента (н. э.), что составляет почти четвертую часть из добычи и потребления нефти в мире (~3 млрд. т). Потребность в нефти и других видах современной энергии, вероятно, будет увеличиваться и одновременно будут усовершенствоваться методы энергетического использования растительной биомассы (помимо прямого сжигания. Таблица. 2-1 Мировые запасы горючих ископаемых, пригодные для индустриальной добычи, млрд. т н. э. Таблица. 2-2 Извлекаемые запасы горючих ископаемых и прирост биомассы. млрд. т н. э., [2–6, 2–9, 2-11] Применение возобновляемой растительной биомассы для производства моторных топлив целесообразно и даже необходимо в связи с ограниченностью запасов нефти. По данным XIII Нефтяного конгресса (1991 г.) [2-11], разведанные запасы нефти в мире оцениваются в 140145 млрд. т (160 млрд. м ), которых при современном потреблении нефти в мире может хватить на 35–45 лет. По отдельным регионам проблемы с запасами нефти стоят более остро: 76 % запасов находится на Ближнем и Среднем Востоке, в Латинской Америке. На остальные регионы остается 24 %, из которых 67 % приходится на СНГ. Учитывая уровень добычи нефти в 1990 г., этих запасов может хватить на 15–18 лет. Потребность нефти в Российской Федерации – 270–300 млн. т, в целом по СНГ – 450 млн. т (для сравнения – США потребляют около 800 млн. т нефти). В дальнейшем потребление нефти в мире будет возрастать, поэтому, учитывая дефицит нефти, необходимо развивать новые пути получения жидких моторных топлив. Производство моторных топлив из твердых горючих ископаемых не слишком обширно. Так, в ЮАР получают 5 млн. т моторных топлив, для чего затрачивается 27–30 млн. т бурого угля. Эта технология основана на парокислородной газификации угля и получении моторных топлив из синтез-газа на железном катализаторе. Производство синтетических топлив в крупных масштабах с целью замены нефти представляет трудную задачу. Для производства 150 млн. т синтетических топлив (1/2 потребности России) понадобилось бы около 1 млрд. т бурого угля (добыча угля в 1990 г. в Советском Союзе составила около 700 млн. т, в США -800 млн. т). Доступным и возобновляемым сырьем для производства синтетических моторных топлив является биомасса растений. Например, в Канаде лесная и лесоперерабатывающая промышленность более 70 % необходимой энергии получает из отходов древесины (газификацией и другими методами). В Советском Союзе в период 1940–1950 гг. были созданы установки, работавшие на лесных и сельскохозяйственных отходах при их газификации воздухом с получением газообразного моторного топлива. Ежегодный прирост биомассы растений на Земле составляет от 170 до 200 млрд. т, считая на сухое вещество, что в пересчете на нефтяной эквивалент соответствует примерно 70–80 млрд. т [2–9, 2-10]. В связи с дефицитом нефти целесообразно использовать местные виды топлив – растительную биомассу, бурый уголь, торф, сланцы, различные твердые органические отходы (мусор в городах) при переработке в жидкое топливо. Общее количество различных твердых органических отходов (лесодобыча и лесопереработка, сельское хозяйство, промышленность, бытовой мусор в городах) может быть очень велико. Например, в США оно достигает 1–1,2 млрд. т в год. Из этого количества можно получить около 1/4 моторных топлив, т. е. более 100 млн. т. Однако большая часть отходов не используется, некоторую часть применяют для получения биогаза (смесь СН с СО ), другая часть сжигается. Например, фирма “Боинг” сжигает биомассу (отходы древесины и городской мусор) для получения примерно 60 % тепла, необходимого для обогрева завода “Боинг” площадью 550 тыс. м являющегося крупнейшим в мире производственным комплексом [2-12]. Ресурсы ежегодно возобновляемой растительной биомассы энергетически в 25 раз превышают добычу нефти. В настоящее время сжигание растительной биомассы составляет ~10 % от потребляемых энергоресурсов (примерно 1 млрд. т у. т.), в будущем ожидается существенное расширение использования биомассы в виде продуктов ее переработки (жидких, твердых топлив и др.), и в первую очередь отходов, которые скапливаются и разлагаются, загрязняя окружающую среду [2-13]. Биомасса перерабатывается в топливные и химические продукты различными методами: пиролизом, гидролизом, газификацией, гидрогенизацией и др. Эти процессы осуществляются на передвижных или стационарных установках. 2.2.Источники биомассы Древесина является типичным источником биомассы. Объем производства биомассы в мире составляет 146 млрд. тонн в год, состоящий в основном из диких растений. Энергию биомассы получают из шести различных источников биоэнергии: бытовых отходов, древесины, энергетических растений, отходов агропромышленных комплексов, свалочного газа, и алкогольного топлива. Биомасса может быть преобразован в другие полезные формы энергии: газ метан или транспортные топлива – этанол, бутанол, биодизель и биоуглеводороды. Широкие перспективы для рентабельного производства различных видов энергии и топлива открывает использование для этих целей пресных и морских водорослей. Энергия созданная путем сжигания биомассы (дров), также известна как dendrothermal. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ БИОМАССЫ. Химический состав биомассы может различаться в зависимости от ее вида. Обычно растения состоят из 25 % лигнина и 75 % углеводов. К наиболее важным категориям углеводов можно отнести целлюлозу. Лигниновая фракция состоит из молекул не углеводного (производные фенолов) типа. Рис. 2–1. ТЭЦ в городе Мец, Франция.45MW котел использует биомассу отходов древесины в качестве источника энергии. [2-14]. ПРОЦЕСС ОБРАЗОВАНИЯ БИОМАССЫ [2–2]. Двуокись углерода из атмосферы и вода посредством фотосинтеза (квантов световой энергии) образуют "строительные блоки" биомассы. Таким образом, солнечная энергия, сохраняется в химической форме в безмассовой структуре. При окислении биомассы (сжигание) кислородом атмосферы вновь образуется двуокись углерода и вода. Процесс циклический, потому что двуокись углерода может вновь участвовать в производстве новой биомассы. Рис. 2–2. Упрощенный углеродный цикл.[2–2] В течение тысячелетий люди добывали энергию Солнца, сохраненную в вы-де энергии химических связей, сжигая биомассу в качестве топлива или употребляя ее в пищу и для технических изделий. Ископаемые виды топлива также являются продуктом длительной биологической и термохимической конверсии древнейшей биомассы. В течение миллионов лет на Земле остатки фауны и флоры превращаются в топливо. Биомасса считается одним из ключевых возобновляемых энергетических ресурсов будущего. Сегодня она обеспечивает 14 % потребления первичной энергии. Для трех четвертей населения человечества, живущих в развивающихся странах, биомасса является самым важным источником энергии. Увеличение населения и потребления энергии на одного жителя, а также истощение ресурсов ископаемого топлива приведут к быстрому увеличению спроса на биомассу в развивающихся странах. В среднем, в развивающихся странах биомасса обеспечивает 38 % первичной энергии (а в некоторых странах 90 %). Весьма вероятно, что биомасса останется важным глобальным источником энергии в развивающихся странах в течение всего 21 века.[2–2]. Ежегодный прирост биомассы на земле составляет 220 млрд. тонн (по св.), что позволяет запасать в виде энергии химических связей до 4 х 10 Дж энергии. Мировое годовое коммерческое использование всей энергии составляет 3.9 х 10 Дж, что в 10 раз меньше запасаемой энергии. Например, энергетическое содержание производимых в мире сельскохозяйственных отходов составляет 93 х 10 Дж./год. Допуская, что только 25 % их реально использовать, отходы могут обеспечить около 7 % мировой энергии. Городские твердые отходы – ТБО также могут быть важным источником энергии. Только в США их ежегодно образуется около 320 млн. тонн, или по 1 т/год на человека. В развивающихся и слаборазвитых странах эти величины соответственно меньше, но можно полагать, что ежегодно в мире в городах накапливается несколько млрд. тонн ТБО [2-16]. Если считать, что, в среднем, ТБО содержат 60–65 % органических веществ растительного и животного происхождения, то по аналогии с фотосинтетической биомассой ежегодное содержание энергии в ТБО может составлять 4–6 х 10 дж. Рис. 2–3. Производство и потребление биомассы в мире в сравнении с общим потреблением энергии. [2–2]. Потребление биомассы растет быстрыми темпами и в развитых странах. В развитых странах биомасса используется весьма интенсивно: Швеция и Австрия обеспечивают 15 % потребности в первичных энергоносителях за счет биомассы. В ряде развитых и развивающихся стран биомасса используется для получения энергии и топлива. В мире около I млрд. чел. используют древесину как топливо. 1/7 часть используемой энергии обеспечивается за счет биомассы. В таких развивающихся странах, как Эфиопия, Непал, Танзания энергетика на 95 % зависит от использования биомассы, в Нигерена 85, Сомали-, Судане – 85, Бангладеш, Кении -75, Таиланде – 65, Индии.– 55, Боливии – 45, Китае – 35, Бразилии -25, в среднем – на 45 % [2-15]. Приведенные выше цифры весьма оптимистичны, и даже наблюдавшееся в 1985 – 1986 гг. снижение цен на нефть на международном рынке, по мнению крупной фирмы "Аррlied роwer – technology", штат Калифорния, не может оказать влияния на изменение объемов использования биомассы в целях энергетики. Рис. 2–4. Использование биомассы в качестве источника энергии в мире Рис. 2–5. Распределение биомассы в мире (Зеленый цвет – биомасса) [2–2]. Интерес к использованию биомассы как источника энергии вызван следующими положительными обстоятельствами: I) биомасса постоянно возобновляется; 2) энергия, запасенная в биомассе, может храниться и использоваться в течение длительного времени; 3) она конвертируется в различные виды топлива; 4) к настоящему времени разработано и создано значительное число биоэнергетических технологий, пригодных к использованию; 5) имеются реальные перспективы в развитии этой отрасли; 6) широкое вовлечение в энергетику различных видов органических отходов; 7) в ряде регионов биотопливо является более экономически выгодным или основным видом энергии; 8) биоэнергетика является источником экологически чистой энергии, не образуются вредные газообразные оксиды серы, не меняется баланс углекислого газа в биосфере. [2-16]. Однако эта новая отрасль энергетики имеет и свои негативные стороны: I) для производства энергетической биомассы нужны земельные площади; 2) производство биомассы требует воды, удобрений и т. д.; 3) стоимость биоэнергии, колеблется в широких пределах и в ряде случаев намного превышает стоимость традиционных источников энергии; 4) биомассу экономически выгодно использовать только локально; 5} значительная часть биомассы содержит более 50 % воды, что удорожает технологии ее переработки в топливо и энергию; 6) продуктивность биомассы зависит от климата и агроусловий; 7) некоторые виды биомассы сезонны; 8) фотосинтез имеет малый КПД; 9) некоторые технологии конверсии биомассы в топливо пока неэффективны; 10) производство биомассы требует изменения сельскохозяйственной и лесоводческой практики; II) биомассу сложнее хранить, чем нефть или природный газ.[2-16]. Количество и виды топлива, получаемого из биомассы, зависят не только от общих объемов воспроизводимой биомассы, но и от качества биомассы: влажности, состава органических веществ, физических особенностей и т. д. В ближайшие годы основным сырьем для производства энергии и топлива методами биоэнергетической технологии будут служить разнообразные органические отходы. В развитых странах в год на одного человека накапливается до 5 т органических отходов по сухому веществу. С дальнейшей интенсификацией производства и урбанизацией происходит концентрация отходов. Это, с одной стороны, требует принятия неотложных мер для их утилизации с целью обезвреживания и охраны окружающей среды, с другой – применения прогрессивных, высокоэкономичных технологий их переработки с возможным вторичным использованием, в частности, для получения энергии, органоминеральных удобрений и др. Как отмечалось выше, биомасса будет трансформироваться в топливо или энергию методами биологической и термохимической конверсии. Целесообразность использования биомассы в качестве источника энергии определяется ее энергоемкостью и содержанием в ней питательных веществ и золы. В органическом веществе тканей большинства растений содержится 46–48 % углерода, а у водорослей с высоким содержанием жира и, следовательно, с повышенной энергоемкостью оно достигает 54 %. Рис. 2–6. Целесообразность использования биомассы [2–2]. Вместе с тем наземные растения, как правило, содержат около 5 % золы, в то время как в водных растениях известковых почв количество золы составляет 25 %, 50 % для некоторых видов водорослей (Chard) и 90 % для коралловых полипов (Corallinaceae). Хотя энергоемкость некоторых водорослей значительно выше энергоемкости наземных растений, однако вследствие относительно высокого содержания золы количество энергии в макрофитах на сухую массу приблизительно такое же, как у наземных растений. При исследовании 11 видов сосудистых водных растений было установлено, что их теплота сгорания составляет 16 353-19058 кДж/г сухой массы. Результаты изучения тканей пяти видов растений из заболоченных земель показали, что содержание золы колеблется от 5,9 % в тростнике обычном (Phragmites communis) до 15,6 % в хвоще речном (Equisetum fluviatibe) при среднем содержании 8,5 % на сухую массу. При этом концентрация азота находилась в пределах 1,2–2,1 % на сухую массу, а соотношение углерода и азота от 20:1 до 30:1.[2–2]. Водорослевые культуры могут быть эффективным источником энергетического сырья только при таком методе сбора урожая, который исключает использование больших площадей и расходование больших количеств воды и питательных веществ. В некоторых случаях питательные вещества могут быть получены из окислительных прудов, предназначенных для обработки культивируемых растений, а водоемами могут служить мелкие, аэрируемые пруды с большим расходом или с рециркуляционными системами. В таких специализированных системах скорость производства биомассы в небольших масштабах может достигать 60 г/м2 сухой массы в сутки.[2–2]. Заболоченные земли с полупогруженными макрофитами характеризуются высокой продуктивностью (до 600 г/м2 сухой массы в год) и относительно большим выходом биомассы. Однако такие земли, как правило, представляют собой относительно небольшие изолированные участки, не говоря уже о том, что, как и для всех растительных источников биомассы, скорость производства биомассы водорослей зависит от времени года. Исключение, по-видимому, составляют районы вдоль побережья Мексиканского залива, где рост водорослей происходит в течение всего года, хотя и очень медленный зимой. [2–2]. Рис. 2–7. Мировой спрос на первичную энергию по источникам,2005 г [2-17]. 2.3. Энергетический потенциал биомассы России Исследования, проведенные в 2005 г. Институтом энергетической стратегии показали, что объем производимых органических отходов АПК и городов по всем регионам России в сумме составлял почти 700 млн. тонн (260 млн. т по сухому веществу) в год: 350 млн. т (53 млн. т с.в.) – животноводство, 23 млн. т (5.75 млн. с.в.) – птицеводство, 220 млн. т (150 млн. т с.в.) – растениеводство, 30 млн. т (14 млн. т с.в.) – отходы перерабатывающей промышленности, ТБО – 56 млн. т (28 млн. т с.в.), 12 млн. т (2 млн. т с.в.), – . с валовым энергосодержанием 92–93 млн. ту.т. (технический потенциал составляет 90.4 млн. ту.т., экономический потенциал – 53.3 млн. ту.т.). 20 % потенциальной энергии приходится на отходы животноводства и птицеводства, 58 % – на растениеводство, 7.9 % – на отходы перерабатывающей промышленности, 11.9 % – на ТБО и 1.2 % – на осадки сточных вод. Из этого количество отходов можно ежегодно получать до 73 млрд. куб. м биогаза (57 млн. ту.т.), до 90 млн. тонн пеллет или 75 млн. т «син-газа», который можно конвертировать в 160 млрд. куб. м водорода, а также получить до 330 тысяч тонн этанола, или до 88 млн. куб. м водорода и до 165 тысяч тонн растворителей (бутанола и ацетона). *Источник: Институт энергетической стратегии Литература 2-1.Hall D.O., Inst. Chem. Eng. Symp., Sept. 1982, n 72, T6/1-T. 2-2.БИОМАССА(ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ), 2-3. Biomass From Wikipedia, the free encyclopedia Jump to: navigation, search 2-4.Storl E. // Energia. 1988. V. 10. № 1. P. 4. 2-5. Я. М. Паушкин, Г. С. Головин, А. Л. Лапидус, А. Ю. Крылова, Е. Г. Горлов, В. С. Ковач., Получение моторных топлив из газов газификации растительной биомассы, Институт горючих ископаемых. 2-6. Wild W. H. //Erdol-Erdgaz-Kohle. 1989. № 3. S. 101. 2-7.Ramain P. //Cah. fr. 1988. № 236. P. 15. 2-8. Otto O. //Glukauf. 1983. B. 119. S. 335. 2-9.Leth H. //Angew. Botanik. 1972. B. 46. № 1. S. 37. 2-10.Bernard B. //Afrique exp. 1984. № 4. P. 44. 2-11.Masters S. D. World Petroleum Congress, Buenos Aeres, 1991 2-12. Frank E. //Petrol. Econ. 1984. V. 51. № 3. P. 104. 2-13.Коллеров Л. К. Газомоторные установки. М.: Машгиз, 1951. 2-14. File: Metz biomass power station.jpg From Wikipedia, the free encyclopedia, www.google.ru. 2-15. Inter. Bioenergy Directory. Ed. P.F. Bente, Washington: Aver. Council Bioenergy, 1984, p. 1000. 2-16. Панцхава Е.С. и др., Биогазовые технологии, М. 2008, 217стр. 2-17. Экономика питание биотопливо ООН., www.slideshare.net. Глава 3. Общие вопросы биотоплива и биоэнергетические технологии Энергия, продукты питания и труд – ресурсная триада, определяющая социально-экономическую ситуацию современного общества. При этом, если первые два ресурса привычно записываются в разряд дефицита (Миллиард (!) людей на планете голодает, а большая часть энергии добывается варварским способом, отравляющим атмосферу), то третий – трудовой ресурс – все время в избытке (есть страны, где безработица среди трудоспособного населения превышает 80 %). [335] Этот парадокс объясняется – отсутствием системного подхода к проблеме ресурсов. [3-35]. Цена на нефть в условиях глобальной экономики – один из критичных и очень неустойчивых показателей. В результате, программы по биотопливу то открываются, то закрываются. Так будет продолжаться до тех пор, пока проблема не будет решаться как системная: не отдельно – продовольствие, энергия, трудовые ресурсы, а только в единой системе (куда естественно войдёт и экология, автор). Для того чтобы выявить факторы, лимитирующие решение проблемы, необходимо ответить на ряд вопросов. Прежде всего, достаточно ли биоресурсов второго поколения, чтобы сколь-нибудь значительно сократить использование ископаемого углеводородного топлива. Биотопливо по механохимическим характеристикам делится на: 1. ТВЕРДОЕ БИОТОПЛИВО 2. ЖИДКОЕ БИОТОПЛИВО 3. ГАЗООБРАЗНОЕ БИОТОПЛИВО По сырьевому происхождению биотопливо разделяют на: БИОТОПЛИВО ПЕРВОГО ПОКОЛЕНИЯ (продукты сельскохозяйственного производства: зерно, растительные масла, животный жир, лесная стволовая древесина). БИОТОПЛИВО ВТОРОГО ПОКОЛЕНИЯ (органические отходы лесопромышленного комплекса и агропромышленного комплекса). Это различные виды топлива, полученные различными методами термохимии и биотехнологии из вторичной биомассы. БИОТОПЛИВО ТРЕТЬЕГО ПОКОЛЕНИЯ(морские и пресноводные водоросли). Поколения биотоплива [3-54]. Классификация биотоплива необходима для того чтобы избегать двойного учета различных видов биотоплива в статистике, а также для избирательной поддержки разработки и производства определенных видов биотоплива. Тем не менее, существуют различные системы классификации биотоплива во многом противоречащие друг другу. Первичное и вторичное биотопливо Наиболее общее разграничение проводится между первичным (необработанным) и вторичным биотопливом (обработанным). Под первичным биотопливом FAO понимает_ «топливо, органический материал которого используется главным образом в своей природной форме (как он был заготовлен)». Образцами такого топлива являются: топливная древесина, древесная щепа, гранулы и т. д. Вторичное биотопливо подвергается трансформации перед использованием и может существовать в твердой (например, древесный уголь), жидкой (например, этанол, биодизель и биомасло) или газообразной (например, биогаз, синтез-газ и водород) форме. Согласно_Комитету по статистике ООН (Annex A. Стр. 174. Код 5) к первичному биотопливу относятся не только топливная древесина, пеллеты и т. д., но и биогаз, биодизельное топливо, авиационный биокеросин. Единственным видом вторичного биотоплива принимается древесный уголь (charcoal), что в целом противоречит определениям данным в том же документе (разделы 3.16 и 5.10). Рис. 3–1. Первичная и вторичная энергия В настоящее время объемы потребления первичного биотоплива намного превышают объем потребления вторичного биотоплива. По оценкам 1БЛ_в мировом потреблении первичной энергии биомасса составляет около 10 % (—1200 млн тонн нефтяного эквивалента) из них около 750 млн тонн используется в виде дров для приготовления еды и обогрева. Тогда как более современные методы использования биомассы, включая жидкие биотоплива, сжигание биомассы на ТЭЦ и т. д., потребляют около 460 млн тонн. В слаборазвитых странах (Танзания) первичное биотопливо составляет до 89 % от всего объема производства первичной энергии. Биотоплива 1-го, 2-го, 3-го и 4-го поколения Наиболее стройная система классификации вторичного биотоплива (по определению FAO) была предложена Biofuels Digest. В данной системе учитывается как конкуренция с производством продуктов питания, так и сокращение промежуточных этапов в производстве топлива. Система аналогична системе классификации в работе Dragone et al., 2010 за исключением 4-го поколения биотоплива отсутствующего у Dragone. Рис. 3–2. Классификация биотоплив по системе Dragone et al., 2010 [3-55]. Первое поколение биотоплива Биотоплива произведенные путем переработки пищевых сельскохозяйственных растений в биодизель или этанол используя трансэстерификацию или брожение, или путем смешивания растительных масел с ископаемым топливом, или используя чистое растительное масло в качестве топлива. Второе поколение Биотопливо, произведенное на землях непригодных для производства продукта питания и с использованием непищевых культур, или произведенное из остатков от производства продуктов питания. Включает в себя технологии производства этанола из целлюлозы, биотопливо из ятрофы, Фишер-Тропш и другие способы газификации биомассы. Третье поколение Биотопливо, произведенное на землях непригодных для сельского хозяйства с использованием интегрированных технологий, в ходе которых производится либо само биотопливо, либо предшественник биотоплива, но при этом требующее разрушения биомассы. Типичный пример технологии – это производство биотоплива с использованием микроводорослей накапливающих в себе липиды, но требующее разрушения клеток водорослей, затем экстракции липидов и их трансформации в биодизельное топливо. Четвертое поколение Биотопливо, произведенное на землях непригодных для сельского хозяйства и не требующее разрушения биомассы. Примером такой технологии является производство алканов (основных компонентов моторного топлива) генетически модифицированным цианобактериями в ходе фотосинтеза из углекислого газа. При этом происходит секреция алканов с среду, а сами цианобактерии могут продолжать синтез. Обычное биотопливо и Передовое биотопливо Также могут использоваться другие системы классификации. International Energy Agency_использует разделение на conventional (обычное) и advanced (передовое или продвинутое) биотопливо. Обычное биотопливо производится по существующим технологиям в промышленном масштабе (биоэтанол из кукурузы и сахарного тростника, биодизель и т. д.), продвинутое биотопливо включает в себя виды биотоплива находящиеся на ранней стадии развития такие как этанол из целлюлозного сырья, «biomass-to-liquids (BTL) diesel», «bio-derived synthetic natural gas (bio-SNG)» и т. д. Нужно отметить, что это определение отличается от определения “Advanced Biofuels” принятого в американском законодательстве, где оно обозначает биотопливо приводящее к снижению выбросов парниковых газов более чем на 50 % по сравнению с ископаемым топливом и включающего в себя этанол из сахарного тростника. 3.1. Поколения растительных биотоплив [3-36] После мирового энергетического кризиса в начале семидесятых годов ХХ столетия в мире возник интерес к возобновляемым источникам энергии, в частности к биотопливу. Первая причина – озабоченность запасами невозобновляемого углеводородного сырья и ростом цен на него. Вторая – попытка стран – импортёров нефти уменьшить зависимость от стран-производителей. Третья – необходимо улучшить экологическую ситуацию. Четвертая – нужно поддержать сельское хозяйство, демпфируя перепроизводство зерновых.[3-37]. Технологии производства биотоплива, в отличие от других альтернативных технологий (использования энергии Солнца, ветра, приливов, геотермальных источников, водорода), могут давать дополнительный выигрыш при эксплуатации биосферы, в том числе повышать эффективность сельского хозяйства и лесного комплекса. Биоэтанол производится из сахарного тростника, багассы, свеклы или отходов свекловичного производства- мелассы, кукурузы, пшеницы, картофеля, соломы, шелухи, опилок – в общем, из любого сырья, которое содержит крахмал или сахар. Биодизель – это моноэифры жирных кислот – из органических отходов, в частности древесных, можно получать газ – синтез-газ методом пиролиза – разложения органических веществ под действием температуры без доступа воздуха, с ограниченным доступом кислорода. Биогаз можно получать путем метанового брожения куриного помета или навоза или других жидких отходов растительного и животного происхождения, осадков сточных вод, твердых бытовых отходов, причем побочный продукт этого процесса – отличные удобрения. Наконец, из отходов лесопиления и деревообработки можно под высоким давлением делать так называемые пеллеты (маленькие цилиндрические брусочки), которые охотно используются в Германии, Австрии и скандинавских странах в специальных котлах для отопления домов. Выход тепла у них почти в два раза больше, чем у обычных дров, а места они занимают намного меньше.[3-37] Из этих технологий наибольшее распространение в мире получили биоэтанол, биодизель и биогаз. 3.2. Растительное сырье разделяют на три поколения 3.2.1. Растительное сырье первого поколения Биотопливо первого поколения производят из сахара, крахмала, растительного масла и животного жира, используя традиционные технологии. Основными источниками сырья являются семена или зерно. Например, семена подсолнечника прессуют для получения растительного масла, которое затем может быть изпользовано в биодизеле. Из пшеницы получают крахмал, после его сбраживания – биоэтанол. Вместе с тем из подсолнечника, пшеницы и других подобных культур можно произвести продукты питания, поэтому возникает конкуренция с жизненно важным для человечества сегментом рынка пищевым. Более того, производство биотоплива из подобных культур требует существенной финансовой поддержки государства и зачастую экономически невыгодно. Кроме того, многие экологи уверены, что при производстве данных видов биотоплива выбрасывается слишком много парниковых газов, что перекрывает экологическую выгоду от использования этих биотоплив. 3.3. Растительное сырье второго поколения К биотопливам второго поколения относятся все виды жидкого и газообразного биотоплива, которые производятся не из пищевых культур: древесины, шелухи, и другой биомассы – органических отходов растительного и животного происхождения. Лигноцеллюлозный этанол получают из гидролизатов целлюлозы, используя: нагревание паром, ферменты и другие предобработки. С помощью брожения из данных сахаров можно получить этанол таким же путем, как и биоэтанол первого поколения. Побочным продуктом этого процесса является лигнин, которой может быть сожжен как не влияющий на концентрацию углекислого газа в атмосфере для выработки тепла и энергии. Также лигноцеллюлозный этанол сокращает выбросы парниковых газов на 90 % по сравнению с ископаемой нефтью. 3.4. Растительное сырье третьего поколения Совершенно новый видбиотопливо третьего поколения или водорослевое топливо изготовляется из водорослей. Водоросли – одновременно дешевое и высокопродуктивное сырье для получения жидкого биотоплива. Эксперты утверждают, что с одного акра водорослей можно произвести в 30 раз больше биотоплива, чем с акра любого наземного растения. Более того, жидкое биотопливо из водорослей может без труда заменить продукты из нефти без качественных потерь для пользователей и с улучшением экологической составляющей. Эксперты утверждают, что как только жидкое биотопливо из водорослей станет экономически рентабельным для производства в большим масштабах (а сейчас к этому приближаются), то нефтяное топливо уже будет неконкурентоспособным.[3-38] Биотопливо (кроме биогаза [3-26]) пока дороже топлива, получаемого из углеводородных ископаемых. Но развитие технологий скоро изменит эту ситуацию, а экологические требования и задачи стимулирования агропрома делают это горючее интересным уже сегодня.[3-36]. Рассмотрим две главные статьи расхода энергоресурсов: производство электроэнергии и транспорт. Возобновляемые ресурсы второго поколения: отходы лесопереработки (термохимия и биотехнологии), торф (только ежегодный прирост), навоз (через биогаз), солома (через газификацию), твердые бытовые отходы (биогаз и газификация) могут дать около 12.6 трлн. кВт ч/год электроэнергии. Если к этому добавить потенциальный ресурс мискантуса (слоновьей травы (Miscanthus Giganteus), выращиваемого на площади 200 млн. га (Это ок. 20 % мирового резерва пахотно пригодных земель, который сейчас по самой скромной оценке составляет 1 млрд. гектар), то можно получить в сумме приблизительно 29.4 трлн. кВт ч/год электроэнергии. Сейчас уровень потребления электроэнергии в мире приближается к отметке 56 трлн. кВт ч/год в том числе за счет сжигания ископаемого топлива примерно 4.8 млрд. ту.т. (37.5 трлн. кВт ч/год) образом, потенциал биоэнергоресурсов второго поколения позволяет сократить почти на 80 % использование ископаемого топлива, а главное, полностью исключить сжигание нефтепродуктов для производства электроэнергии. [3-39] Глава 3.5. Как обстоят дела с транспортом? Сейчас мировое потребление нефтепродуктов на транспортные нужды составляет около 4.1 млрд. ту.т. Если использовать ещё 40 % мирового резерва земли для выращивания двух культур: топинамбура в качестве сырья для производства биоэтанола, и ятрофы (Jatropha) – сырья для получения биодизеля, то можно получить транспортное топливо эквивалентом примерно 1.7 млрд. ту.т. сократив на 40 % использование ископаемых углеводородов на транспорт.[3-39]. Таким образом, потенциал биоэнергоресурсов второго поколения, наряду с решением важнейшей экологической проблемы, позволяет вернуться к производству продовольствия из кукурузы, пшеницы, сахарного тростника, сои, рапса и пр. Дополнительные возможности связаны с технологией биоконверсии отходов животноводства и растениеводства в биогаз, позволяющей, наряду с энергоносителем, получить еще один весьма важный продукт – высокоэффективное, экологически безопасное органическое удобрение. Это удобрение обеспечивает увеличение урожайности различных культур не менее чем в 2 раза, повышая при этом устойчивость растений к неблагоприятным воздействиям среды, особенно к засухе. Переработка одного только навоза, помимо 0.41 млрд. ту.т. электроэнергии, позволит получить 14 млрд. тонн этого ценнейшего удобрения. По самым скромным подсчетам применение удобрения увеличит производство продовольствия в мире на 50 %. [3-39]. 3.6. Зачем нужны биотоплива Одним из главных преимуществ биотоплив называют сокращение выбрсов парниковых газов. Это, однако, не означает, что при сгорании биотоплив образуется меньше диоксида углерода (хотя и такое возможно). При сгорании биотоплива в атмосферу возвращается углерод, который ранее поглотили растения, поэтому углеродный баланс планеты остаётся неизменным. Ископаемые топлива – совсем другое дело: углерод в их составе миллионы лет оставался "за консервированным" в земных недрах. Когда он попадает в атмосферу, концентрация углекислого газа повышается. В том, что касается вредных выбросов, биотоплива несколько выигрывают у нефтяных. Большинство исследований показывают, что биотоплива обеспечивают снижение выбросов моноксида углерода и углеводородов. Кроме того, биотоплива практически не содержат серы. Вместе с тем, несколько увеличивается выброс оксидов азота, вдобавок, при неполном сгорании многих биотоплив в атмосферу попадают альдегиды. Но, в целом, по уровню вредных выхлопов биотоплива выигрывают у нефтяных. 3.7. Мировой возобновляемый энергетический ресурс 3.7.1. Твердое топливо 3.7.1.1. Использование древесного топлива и торфа К твердому биотопливу относятся: пеллеты и гранулы из древесины, торфа, соломы, стеблей, древесная щепа, дрова, древесный уголь, торфяные брикеты. Твердые энергоносители биологического происхождения (главным образом навоз, отходы древесина, торф) брикетируют, сушат и сжигают в каминах жилых домов и топках тепловых электростанций, вырабатывая дешевое электричество для бытовых и производственных нужд. Отходы древесины с минимальной степенью подготовки к сжиганию (опилки, кора, шелуха, солома и т. д.) прессуют в топливные брикеты или пеллеты, которые имеют форму цилиндрических или сферических гранул диаметром 8-23 мм и длину 10–30 мм.[3-41]. В стадии опытно-промышленной эксплуатации находятся электростанции, для которых организовано выращивание «энергетических лесов», т. е. работающие на сжигании в котлах древесины. Широко используются отходы лесопереработки и лесозаготовок, а также энергетического торфа для производства тепловой и электрической энергии (страны Скандинавии), как при прямом сжигании биомассы, так и через ее газификацию с последующим сжиганием генераторного газа[3-42]. 3.7.1.2.Дрова Дрова – древнейшее топливо, используемое человечеством. После того как, в соответствии с греческим мифом, Прометей похитил у богов огонь и дал его людям, биотопливо согревало пещеры, в которых жили наши древние предки, на огне они готовили пищу. И сегодня древесина служит основным топливом в очагах двух миллиардов жителей бедных стран и горит в каминах состоятельной части общества. В настоящее время для производства дров или биомассы выращивают энергетические леса, состоящие из быстрооборачиваемых растений. Из-за значительного роста цен на нефть население африканских стран сокращает потребление нефтяных топлив, увеличивает использование дров, что приводит к уничтожению лесов. [3-37]. Например, Кения сократила потребление керосина для бытовых нужд с 389 тысяч тонн в 2005 году до 329 тысяч тонн в 2007. Энергоносители биологического происхождения (главным образом навоз и т. п.) брикетируются, сушатся и сжигаются в каминах жилых домов и топках тепловых электростанций, вырабатывая дешёвое электричество, используемое в бытовых и производственных нуждах. В последнее время разработаны методы непосредственного получения электричества с помощью специальных бактерий при сбраживании биологических отходов. Древесные отходы прессуют в пеллеты, которые имеют форму цилиндрических или сферических гранул диаметром 8 – 23 мм и длиной 10 – 30 мм. Также кроме пеллет отходы прессуют в топливные брикеты. Отходы биологического происхождения – необработанные или с минимальной степенью подготовки к сжиганию: опилки, щепа, кора, лузга, шелуха, солома и т. д. [3-37]. Сжигание древесины – экологичный вариант энергетики с «нулевыми» выбросами: в атмосферу выделяется столько диоксида углерода, сколько его было усвоено растениями при накоплении фитомассы. Часто также: Топливный торф, твердые бытовые отходы и т. д. 3.7.I.3. Древесные гранулы Рис. 3–3. Внешний вид древесных гранул. Гранулы делаются из отходов (опилок и стружек) и используются в широких масштабах в системах централизованного теплоснабжения. Они производятся прессованием и имеют 1–3 см в длину и около 1 см в диаметре. Они чистые, обладают хорошим запахом и приятные на ощупь. Гранулы имеют низкую влажность (менее 10 %) и высокую теплотворную способность по сравнению с другими видами древесного топлива. После прессования уменьшается объем, в результате увеличивается количество энергии в единице объема (энергетическая плотность). При сжигании гранул процесс обладает большей эффективностью и образуется малое количество остатка. Рис. 3–4. Большой котел (2.5 МВт) для сжигания гранул и щепы, используемый в системах централизованного теплоснабжения. Существуют различные виды гранул. Некоторые производители используют связующие вещества для того, чтобы продлить продолжительность существования гранул. Связующие вещества часто содержат фосфор, который попадает в дымовые газы при сжигании. Соединения фосфора участвуют в образовании кислотных дождей и увеличивают коррозию дымохода. Поэтому лучше использовать гранулы без связующих веществ. [3-43] Параметры древесных пеллет-гранул: Диаметр: 5 – 8 мм Длина: макс. 30 мм Плотность: мин. 650 кг/м Влажность: макс. 8 % веса Теплотворная способность: 4,5 – 5,2 кВт-ч/кг 2 кг гранул = 1 литр мазута Существует много преимуществ использования древесных пеллет-гранул в качестве топлива. Гранулы и пеллеты могут быть получены из древесных отходов. Сжигание гранул помогает избавиться от отходов деревообрабатывающей и мебельной промышленности. В гранулах обычно отсутствуют добавки для улучшения процесса горения. При сжигании гранул не образуется дым. Использование этого вида топлива уменьшает потребность в ископаемом топливе, сжигание которого приносит вред окружающей среде. [3-43]. Стоимость древесных гранул может зависеть от места получения и времени года. Гранулы могут использоваться в различных типах зданий – гостиницах, ресторанах, магазинах, офисах, больницах и школах. До недавнего времени гранулы использовались в 500 тыс. домов в Северной Америке. [3-43]. З.7.1.4. Древесная щепа Рис. 3–5. Внешний вид щепы древесной. Древесная щепа получается из отходов лесной древесины. Древостой должен прореживаться при выращивании деловой древесины (для производства балок, досок и мебельных заготовок). Таким образом, щепа является результатом обычной эксплуатации лесного хозяйства. Древесина измельчается в специальных рубительных машинах (чипперах). Размер и вид щепы зависит от конкретной машины, однако типичная щепа имеет от 2 до 5 см в длину и 1 см в толщину. Влажность свежей щепы составляет около 50 % (весовых) и значительно уменьшается в процессе сушки. Во многих странах, например, Дании, щепа производится для сжигания на станциях централизованного теплоснабжения. Щепа обычно доставляется автомобильным транспортом, поэтому станции ЦТ, оборудованные автоматическими котлами, должны иметь крытые хранилища объемом не менее 20 м . [3-43]. Рис. 3–6. Рубильная машина [3-43] Рис. 3–7. Древесные брикеты В табл. 3–1 представлены сравнительные данные по разным видам топлива для односемейного дома площадью 150 м (тепловая нагрузка 12 кВт) в Австрии. [3-43]. Таблица. 3-1 Сравнительные данные по разным видам топлива для односемейного дома площадью 150 м . З.7.1.5. Энергетические леса Выращивание быстрорастущих культур (эвкалипт, тополь, ива и другие); годовой урожай может составлять около 7 т/га. Крупнейшая в Европе электростанция, работающая на древесной биомассе (Зиммеринг, Австрия). Мощность электростанции 66 МВт. Электростанция ежегодно потребляет 190 тысяч тонн биомассы, собираемой в радиусе 100 км от станции. Выход электроэнергии с 1 га энергетического леса составит 21500 кВт. ч. [3-44] Если занять посадками 1 млн. га Мирового Земельного Ресурса (МЗР), потенциальный выход электроэнергии составит 21,5 млрд. кВт. ч. Торф. Ежегодный прирост запасов торфа в мире ок. 500 млн. тонн – это ресурс для производства 14.5 ЭДж электроэнергии в год. Слоновья трава, Miscanthus giganteus. Урожай биомассы до 60 т/га Выход электроэнергии с 1 га мискантуса составит 180 тыс. кВт. ч Если занять под мискантус 1 млн. га МЗР, потенциальный выход электроэнергии составит 180 млрд. кВт.ч З.7.1.6. Переработка мусора. Свалочный газ из твердых бытовых отходов (ТБО) Количество ТБО на планете – более 1 млрд… тонн в год. Эмиссия метана достигает уровня 70 млн. т/год. Технология газификации твердых бытовых и промышленных отходов (ТБПО) позволяет получать из 1 т ТБПО 2,23 МВт электроэнергии. 3.7.2. Жидкое биотопливо Биоэтанол – получают переработкой растительного сырья и используют как биотопливо. Существует 2 основных способа получения этанола – микробио-логический (спиртовое брожение) и синтетический (гидратация этилена). Следствием брожения является раствор, содержащий не более 15 % этанола. В промышленных масштабах этиловый спирт получают из сырья, содержащего крахмал/целлюлозу (древесина, солома), которую предварительно гидролизуют. Смесь, образовавшаяся при этом, подвергают спиртовом брожению. [3-45]. Производство жидкого биотоплива в мире возросло с 16 млрд. л в 2000 году до 100 млрд. л в 2010 году. Сегодня жидкое биотопливо составляют около 3 % всего топлива для транспорта. В Бразилии в 2008 году доля использования биотоплива в транспортной сфере составила около 21 %, в США – 4 %, в ЕС – 3 %. По оценкам МЭА к 2050 году доля биотоплива в транспортной сфере может увеличиться до 750 млн. т. н. э. (по сравнению с текущим уровнем в 55 млн. т. н. э.) и составить 27 % всего транспортного топлива, позволяя уменьшить объемы выбросов транспорта на 20 % и сократить мировую зависимость от ископаемых видов топлива[3-42]. Потенциальный выход биоэтанола из соломы ок. 300 млн. т/год. Топинамбур Урожай: клубни – 30 т/га, зеленая масса – 40 т/га Выход этанола из клубней 100 л/т, из зел. массы – 70 л/т Этанол по сравнению с бензином является менее «энергонасыщенным» источником энергии. Пробег машин, работающих на Е85 (смесь 85 % этанола и 15 % бензина; буква «Е» от английского Ethanol), на единицу объема топлива составляет около 75 % от пробега стандартных машин… [3-45]. Серьезным недостатком биоэтанола является то, что при сгорании этанола в выхлопных газах двигателей появляются альдегиды (формальдегид и ацетальдегид), которые наносят живым организмам не меньший ущерб, чем ароматические углеводороды. З.7.2.1.Использование биоэтанола Солома (пшеницы, риса, ржи) мировое производство 1255 млн. т/год 1 т соломы дает 250 л биоэтанола. В мире биоэтанол получают, в основном, из злаковых культур, кукурузы, сахарного тростника и сахарной свеклы. Из всего произведенного этанола 80 % имеет топливное применение, 12 % – техническое и 8 % – пищевое. В 2009 году производство этанола в мире составило 76 млрд. литров (рост на 10 % по сравнению с 2008 г., на 400 % по сравнению с 2000 г.). В 2009 г. ведущие места по производству этанола заняли США, Бразилия и ЕС. При этом на долю США (40,1 млрд. литров – 54 %) и Бразилии (24,9 млрд. литров – 34 %) пришлось около 88 % мирового производства этанола. Общее производства этанола странами ЕС составило 3,7 млрд. литров (5 % мирового производства). Юго-восточная Азия, особенно Китай, Таиланд и Индия в ближайшие годы представляют один из самых больших потенциалов в мире – 2,8 млрд. литров (3,8 % мирового производства). Китай в 2009 г. произвел 2 млрд. литров этанола (2,7 % мирового производства) и занял 4 строчку мирового рейтинга. Также производство этанола развито в Канаде (1,8 %), Таиланде (0,5 %), Индии (0,5 %), Колумбии (0,4 %), Австралии (0,2 %). Международное энергетическое агентство (МЭА) оценивает мировое замещение этанолом более 1 млн. баррелей нефтяного спроса в день.[3-42]. 3.7.2.3.Биометанол Вид жидкого биотоплива на основе метилового (древесного) спирта, получаемого путем сухой перегонки отходов древесины и конверсией метана из биогаза. Производство биомассы может осуществляться путем культивирования фитопланктона в искусственных водоемах, создаваемых на морском побережье. Вторичные процессы представляют собой метановое брожение биомассы и последующее гидроксилирование метана с получением метанола. [3-45]. Несмотря на высокое октановое число – более 100, теплотворная способность метанола вдвое меньше, чем у бензина. Это, а также недостаточная летучесть чистого спирта, объясняет необходимость смешивания метанола с бензином. Стандартом является биометанол М85 (буква «М» от англ. Methanol), содержащий 85 % метилового спирта и 15 % бензина. Биометанол М85 не получил распространение как вследствие низкого энергосодержание, так и через исключительную коррозионную активность метанола, которая требует применения специальных материалов. С точки зрения получения энергии данная биосистема имеет существенные экономические преимущества по сравнению с другими способами преобразования солнечной энергии. [3-45]. 3.7.2.4. Биобутанол C H O – бутиловый спирт. Бесцветная жидкость с характерным запахом. Широко используется в промышленности. Производство бутанола началось в начале XX века. В 50-х годах из-за падения цен на нефть бутанол начали изготовлять из нефтепродуктов. [3-45]. Бутанол не обладает коррозионными свойствами, может передаваться существующей инфраструктурой. Может, но не обязательно должен, смешиваться с традиционным топливом. Энергоемкость бутанола близка к энергоемкости бензина. Бутанол может использоваться в топливных элементах, а также как сырье для производства водорода. Сырьем для производства биобутанола могут быть сахарный тростник, свекла, кукуруза, пшеница, а в будущем и целлюлоза. 3.7.2.4. Диметиловый эфир (ДМЭ) C H O может производиться как из угля, природного газа, так и из биомассы. Большое количество диметилового эфира производится из отходов целлюлозно-бумажного производства. Сжижается при небольшом давлении. [3-45]. ДМЭ – экологически чистое топливо без содержания серы, содержание оксидов азота в выхлопных газах на 90 % меньше, чем в бензине. Применение диметилового эфира не требует специальных фильтров, но необходима переделка систем питания (установка газобаллонного оборудования, корректировка смесеобразования) и зажигания двигателя. Без переработки возможно применение на автомобилях с LPG-двигателями при 30 % содержании в топливе. 3.7.2.5.Биодизель Топливо на основе жиров животного, растительного и микробного происхождения, а также продуктов их этерификации. [3-45]. Для получения биодизельного топлива используются растительные или животные жиры. Сырьем могут быть рапсовое, соевое, пальмовое, кокосовое масло, или любое другое масло-сырец, а также отходы пищевой промышленности. Разрабатываются технологии производства биодизеля из водорослей. Биодизельное топливо – это экологически чистый вид топлива, альтернативный по отношению к минеральным видам, получаемый из растительных масел, и используемый для замены (экономии) обычного дизельного топлива, это полностью сгорающее альтернативное топливо, которое производится из растительных материалов или биомассы, такой как сахарный тростник или пальмовое масло. Оно может использоваться в дизельных двигателях или смешиваться с обычным дизельным топливом. Сырьем для производства биодизеля могут быть различные растительные масла: рапсовое. Соевое, арахисовое, пальмовое, отработанные подсолнечное и оливковое масла (использованные, например, при приготовлении пищи), а также животные жиры. С химической точки зрения биодизель представляет собой метиловый эфир. При его производстве, в процессе этерификации, масла и жиры вступают в реакцию с метиловым спиртом и гидроксидом натрия, служащим катализатором, в результате чего образуются жирные кислоты, а также побочные продукты: глицерин и другие. [46]. Биодизель может использоваться в обычных двигателях внутреннего сгорания, как самостоятельно, так и в смеси с обычным дизтопливом, без внесения изменений в конструкцию двигателя. Обладая примерно одинаковым с минеральным дизельным топливом энергетическим потенциалом, биодизель имеет ряд существенных преимуществ: • он не токсичен, практически не содержит серы и канцерогенного бензола; • разлагается в естественных условиях (примерно так же, как сахар); • обеспечивает значительное снижение вредных выбросов в атмосферу при сжигании, как в двигателях внутреннего сгорания, так и в технологических агрегатах; • увеличивает октановое число топлива и его смазывающую способность, что существенно увеличивает ресурс двигателя; • имеет высокую температуру воспламенения (более 100 °C), что делает его использование относительно безопасным; • его источником являются возобновляемые ресурсы; производство биодизеля легко организовать, в т. ч. в условиях небольшого фермерского хозяйства, при этом используется недорогое оборудование. По прогнозу Международного Энергетического Агентства, к 2020 году мировое производство биотоплива, как минимум, учетверится и достигнет 120 миллиардов литров в год. К 2010 году мировой автопром выпустит, как минимум, 2 млн. единиц автомобилей, способных работать на спирте и биодизельном топливе.[3-46]. 3.7.2.6. Производство биодизеля Производство биодизеля менее сконцентрировано, чем производство этанола: в 2009 г. на 10 стран приходилось около 77 % мирового производства. В 2009 г. производство биодизеля в мире составило 16,6 млрд. литров (рост на 9 % по сравнению с 2008 г.). В 2009 г. ведущие места по производству биодизеля заняли Германия, Франция и США [3-42]. Камелина (рыжик, рыжей) масличная однолетняя трава Camelina sativa, может расти в засушливых местах, предгорьях, нижнегорный пояс. Выход масла с 1 га 490 кг (583 л). Если занять под камелину 1 млн. га неудобий из МЗР – потенциальный выход биодизеля составит 0,5 млн. т. [3-44]. Ятрофа – Jatrofa curcas – засухоустойчивый кустарник, семена содержат до 40 % масла, потенциал разведения – огромные пространства полузасушливых земель в Индии, Китае, Австралии, Африке (от Марокко до ЮАР). Ятрофа – представитель второго поколения энергетических организмов, т. е. не имеющих пищевого значения. В Индии ятрофой может быть засеяно 30 млн. га, потенциал производства биодизеля 60 млн т. В январе 2008 года в китайской провинции Гуанси стартовала программа под названием "1 миллион му биоэнергетических лесов" 1 млн. му равен примерно 69000 га. На этой площади будет высажена ятрофа. Всего в Китае 212 миллионов гектаров маргинальных земель, на которых могут выращиваться биоэнергетические культуры. Если занять под ятрофу 200 млн. га неудобий, то только в Китае потенциальное производство биодизеля составит 400 млн. т в год.[3-44]. Производство биотоплив (этанол и биодизель) в 2007 г. достигло 53 млрд. литров, что составляет около 4 % от ежегодного мирового потребления бензина. Темпы роста производства биодизеля > 50 % в год; Таблица. 3-2 Производство биотоплива в 2008 г. [3-44] 3.7.3. Газообразное топлив 3.7.3.I. Биогаз Среди биотехнологий, применяемых для производства топлив и энергии, важное место занимают биогазовые технологии. Интенсивное их внедрение в развитых и развивающихся странах, повышение эффективности и рентабельности внесли значительные изменения в переориентировку этих технологий от только энергетических к экологическим и агрохимическим (производство удобрений), особенно при переработке разнообразных органических отходов. Очевидно, это является решающей альтернативой для получения биогаза. БИОГАЗ – 55–75 % метана, 25–45 % СО – получается метановым брожением биомассы (80–90 % влажности). Его теплотворная способность составляет от 5 тысяч до 7 тысяч ккал на нормальный кубический метр и зависит от концентрации метана в его составе. Количество метана, в свою очередь, зависит от биофизикохимических особенностей сырья и в некоторых случаях от применяемой технологии. Выход биогаза на одну тонну абсолютно сухого вещества составляет: 250–350 куб. м для отходов крупного рогатого скота, 400 куб. м – для отходов птицеводства, 300–600 куб. м для различных видов растений, до 600 куб. м – для отходов (барды) спиртовых и ацетоно-бутиловых заводов. Сырьё для получения. Перечень органических отходов, пригодных для производства биогаза: навоз, помет, зерновая и мелёная после спиртовая барда, пивная дробина, свекольный жом, фекальные осадки, отходы рыбного и забойного цеха (кровь, жир, кишки, каныга), трава, бытовые отходы, отходы молокозаводов – соленая и сладкая молочная сыворотка, отходы производства биодизеля – технический глицерин от производства биодизеля из рапса, отходы от производства соков – жом фруктовый, ягодный, овощной, виноградная выжимка, водоросли, отходы производства крахмала и патоки – мезга и сироп, отходы переработки картофеля, производства чипсов – очистки, шкурки, гнилые клубни, кофейная пульпа. [3-37]. Выход биогаза зависит от содержания сухого вещества. Различают теоретический (физически возможный) и технически-реализуемый выход газа. В 1950-70-х годах технически возможный выход газа составлял всего 20–30 % от теоретического. Сегодня применение энзимов, бустеров для искусственной деградации сырья (например, ультразвуковых или жидкостных кавитаторов) и других приспособлений позволяет увеличивать выход биогаза на самой обычно установке с 60 % до 95 %. В биогазовых расчётах используется понятие сухого вещества (СВ или английское TS) или сухого остатка (СО). Вода, содержащаяся в биомассе, не даёт газа. На практике из 1 кг сухого вещества получают от 300 до 500 литров биогаза. Чтобы посчитать выход биогаза из конкретного сырья, необходимо провести лабораторные испытания или посмотреть справочные данные и определить содержание жиров, белков и углеводов. При определении последних важно узнать процентное содержание быстрораз-лагаемых (фруктоза, сахар, сахароза, крахмал) и трудноразлагаемых веществ (например, целлюлоза, гемицеллюлоза, лигнин). Определив содержание веществ, можно вычислить выход газа для каждого вещества по отдельности и затем сложить. Раньше, когда не было науки о биогазе и биогаз ассоциировался с навозом, применяли понятие «животной единицы». Сегодня, когда биогаз научились получать из произвольного органического сырья, это понятие отошло и перестало использоваться. Кроме отходов биогаз можно производить из специально выращенных энергетических культур, например, из силосной кукурузы или сильфид, а также водорослей. Выход газа может достигать до 500 м из 1 тонны. В мире наблюдается рост использования биогаза для производства тепла и электроэнергии. Рынок биогаза на сегодняшний момент наиболее развит в странах ОЭСР, что объясняется тем, что именно развитые страны первыми внедрили программы перехода к альтернативным источникам энергии и планомерно поддерживали инициативы, направленные на внедрение новых технологий. В 2008 г. в странах ОЭСР производство электроэнергии с использованием биогаза составило около 30 ТВт-ч. Лидером по производству биогаза является ЕС. С 1987 по 1995 годы в Европе построено более 150 биогазовых установок и станций [42]. В настоящее время европейский рынок биогазовых установок оценивается в 2 млрд. долларов США, по прогнозам он должен вырасти до 25 млрд. к 2020 году. В Европе 75 % биогаза производится из отходов сельского хозяйства, 17 % – из органических отходов частных домохозяйств и предприятий, еще 8 % – из отходов сточных вод (установки в канализационно-очистных сооружениях). Первое место по количеству действующих биогазовых заводов принадлежит Германии – в 2010 году их насчитывается более 9 000. Только 7 % производимого данными предприятиями биогаза поступает в газопроводы, остальное – используется для собственных нужд производителя. В 2007 г. объем электроэнергии, производимого с помощью биогаза, составил около 2,9 ТВт-ч. В перспективе 10–20 % используемого в стране природного газа может быть заменено биогазом.[42]. В 2001 году в мире было введено в эксплуатацию более 1000 биогазовых установок и станций, из них – 45 % в Европе, 15 % – в США, затем идет Бразилии и другие страны (Китай, Индия и т. д.) С точки зрения масштабов применения биогаза лидирует Дания. Среди других европейских стран с высокими темпами развития рынка биогаза стоит выделить Великобританию, Швецию, Норвегию, Италию, Францию, Испанию, Польшу и Украину. В США действует всего около 200 биогазовых заводов, работающих на сельскохозяйственных отходах. При этом в США довольно высокий уровень утилизации биогаза свалок – около 50 %, биогаза сточных вод – около 10 %. В последние годы эти технологии были детально оценены в Дании, которая стала первой страной, успешно продемонстрировавшей коммерческие биогазовые заводы по переработке отходов животноводства и других сельскохозяйственных отходов для получения тепловой и электрической энергии. В Дании вклад биогаза в энергетический баланс страны составляет 20 %. Значительная часть производимого биогаза используется для получения электрической энергии с к.п.д. 31 %, производительность по электроэнергии на 1 тонну перерабатываемых отходов варьирует от 48 до 104 кВт час. Рис. 3–8. компания Lemvig Biogas стала самой крупной установкой по производству биогаза в Дании.[3-30]. Энергоемкость всего производимого в 2011 г. в Дании биогаза – 4.1 РДж или 1 млн. ту.т./год. [3-31] 46 % централизованных станций, 27 % фермерских станций. Сельскохозяйственные биогазовые станции перерабатывают: 2.5 млн. т навоза или 5 % от общего объема навоза, 0.5 млн. т органических отходов. В Дании эксплуатируются: 22 централизованных биогазовых станций мощностью от одного до 4.5 МВт и 60 фермерских мощностью от 0.25 до одного МВт. Общее число биогазовых станций 172, из них – 60 индивидуальных фермерских, 21 большие кооперативные, 61 станция перерабатывает сточные воды, 25- на мусорных полигонах с получением лендфилл-газа и 5 станций крупных индустритальных компаний. [3-31]. Для генерации тепла и энергии используется навозная жижа из примерно 75 ферм, а также отходы и остаточные продукты из промышленного производства Это способствует формированию здоровой экономики, как для установки, так и для бытового потребления тепла. Кроме того, следует выделить связанные с этим дополнительные преимущества такие, как уменьшение загрязнения окружающей среды и снижение выбросов парниковых газов. Каждый год из производимого биогаза генерируется более 21 миллиона кВт. ч Это электричество продается местной сети электроснабжений. Избыточное тепло из системы охлаждения газового двигателя превышает 18 миллиона кВт. ч. в год. Это тепло распределяется между пользователями центральной котельной Lemvig. Количество пользователей составляет более 1000 домов. Установка для производства биогаза была построена под ключ компанией BWSC [3-29]. Рис. 3–9. Расположение биогазовых установок в Дании. Красные точки- общие кустовые фермерские биогазовые станции (22), синие-отдельные фермерские биогазовые станции [3-30]. Рис. 3-10. Компания Lemvig Biogas может принимать грузы органических отходов от 200 до 10 000 тонн за один раз либо в порту Лемвиг (максимальная осадка 4 м), либо в порту Тюборон (макс. осадка 8,5 м).[3-29]. Дания – мировой лидер в индустриальном производстве биогаза. Доля ВИЭ, как ожидают, к 2035 г. увеличится до 35 %. Наряду с другими возобновляемыми источниками энергии правительство Дании представляет налоговые льготы и для производителей биогаза, т. е. около 20 % капитальных инвестиций для централизованного биогаза и 30 % для индивидуальных станций или установок [3-25]. В течение последних 10 лет наибольшее внимание в этой стране уделялось строительству больших централизованных биогазовых заводов, которые занимаются переработкой отходов животноводства и птицеводства, создающих серьезные экологические проблемы в некоторых районах. В 1996 г. в эксплуатации находилось 18 централизованных биогазовых заводов, способных ежегодно обрабатывать 1,2 млн т биомассы (75 % отходов), давая от 40 до 45 млн м биогаза, что эквивалентно 24 млн. м природного газа (в среднем 37,5 м биогаза на 1 т отходов). [3-13]. Большие количества биогаза производятся главным образом при перереработке твердых бытовых отходов городов: в США – эквивалентно 93–10.15 Дж, Германии -14 10 , Японии – 6 • 10 , Швеции – 5 • 10 Дж [22]. В Индии, как и в Китае, основной упор сделан на семейные и общинные биогазовые установки – в 1993 г. их было около 1 850 тыс. Однако они требуют первоначальных относительно высоких инвестиций и поэтому не всегда доступны индийским крестьянам. Только в тех случаях, когда нет других источников биомассы, биогаз становится важным источником энергии [3-24]. Основные положения национальной программы Индии по развитию биогазовых технологий включают в себя: 1. снабжение чистой энергией для приготовления пищи; 2. получение органических удобрений, обогащенных элементами химических удобрений; 3. повышение уровня жизни крестьян; 4. улучшение санитарно-гигиенических условий быта и работы [3-25]. Политическая тенденция – поддерживать строительство биогазовых станций большой производительности. Китай известен своей сельской программой создания крестьянских биогазовых установок. С 50-х годов ХХ века было установлено более 35 миллионов крестьянских домашних биогазовых реакторов с ежегодным выходом биогаза 26.5 млрд. м . Цель разработки составляет создание до 80 миллионов единиц к 2020 году, в том числе в климатически холодных регионах в северных районах Китая. [26, 37, 56]. Индия имела в 1983 г. 58 тыс. семейных установок, планирует к 1985 г. построить до 400 тыс. установок такого типа. В странах ЕЭС в 1978 г. была 41 установка, в 1983 г. – 571 установка, работающие на жидких отходах, и 17 установок, перерабатывающих в биогаз (до 100 млн. м в год) городской твердый мусор. В США широкое распространение получили крупные биогазовые установки по переработке городского твердого мусора со средней мощностью до 100 млн. м биогаза в год. Значительная часть производимого биогаза используется для получения электрической энергии с к.п.д. 31 %, производительность по электроэнергии варьирует от 48 до 104 кВт час на 1 тонну перерабатываемого сырья, как правило, органических отходов. [3-27]. К производству биогаза относится также получение ЛЕНДФИЛЛ – ГАЗА, или биогаза – из мусорных свалок [3-28]. В настоящее время во многих странах создаются специальные инженерно обустроенные хранилища для твердых бытовых отходов с целью извлечения из них биогаза, используемого для производства электрической и тепловой энергии [23-8]. Таблица 3-3 Количество различных типов энергооборудования в мире по использованию лэндфиллгаза Рис. 3-11. Лэндфилл-газ завод в местечке Сэиксаль, Португалия.[3-26]. Общий объем переработки ТБО – 4 млн. тонн/год, газ используется для электростанции мощностью 2 МВт. В США к 2002 году находилось в эксплуатации 350 заводов по производству лэндфилл-газа, в Европе – 750 заводов., всего в мире-1152, общее количество производимой энергии – 3929 МВт, количество обрабатываемых отходов – 4548 млн. тонн, общая скорость (мировая) выделения лэндфилл-газа – 1.6 млн. куб. м в час. Рис. 3-12. Электростанция из 13 модулей, использующая лэндфилл-газ в Местечеке Мон-Сант-Гуиберт, Бельгия (Переработка 300 тысяч тонн ТБО в год, мощность электростанции 9.5 МВт, мощность модуля -700 кВт. Скорость поступления лэндфилл-газа (50 % метана) – 5500куб. м/час)[3-26]. Биогаз дает 8 % электрической энергии, произведенной из возобновляемого сырья в США (данные 2006 г.). лендфилл-газ в 2005 г. составлял 24 % от всего количества метана (его производили более 350 заводов). Больше всего биогазовых фермерских установок находится в Калифорнии, Пенсильвании, Висконсине и Нью-Йорке. Приведенные данные свидетельствуют о широкомасштабной поддержке производства биогаза в США.[3-32]. Достижения различных стран – развитых и развивающихся- в области производства и потребления биотоплив представляют значительный интерес как для решения локальных энергетических проблем в современной России, так и для выхода России в качестве крупного поставщики биотоплив на мировой и европейские рынки. В африканских странах сегодня работает 2 млн. биогазовых предприятий, которые обеспечивают газом около 10 млн. человек. 80 % твердого остатка, образуемого в результате работы установок идет на удобрения. По расчетам экспертов, емкость биогазового рынка в Африке – 20 млн. установок [3-42]. Таблица. 3-4 Оценочная стоимость биотоплива в Штате Айова (США)[3-26] Производство биогаза из отходов животноводства и растениеводства. Навоз к.р.с. (1,3 млрд. голов) общее количество 9,5 млрд. т в год. Потенциальный выход биогаза ок. 570 млрд. куб. м/год – эквивалентно 1.1трлн. кВт. ч Из навоза свиней и помета птиц можно получить еще 70 млрд. куб. м биогаза, эквивалентных 140 млрд. кВт. ч При производстве биогаза параллельно получается высококачественное органическое удобрение (на два порядка эффективнее навоза). Потенциальный выход органического удобрения 11,2 млрд. т в год. В мире работают сотни больших биогазовых заводов, перерабатывающих навоз. В Германии их 500 (сырьем служит смесь из 70 % коровяка и 30 % птичьих фекалий), в США создан крупный биогазовый завод, на котором утилизируется навоз от 115 тыс. коров! Этот опыт, несомненно, полезен для России, где вновь начато строительство крупных животноводческих комплексов, навоз которых пока накапливается в хранилищах. В Швеции, которая сегодня стала лидером по использованию нетрадиционной энергетики в ЕС, биогаз получают из отходов мясокомбинатов (внутренностей животных). Даже курсирует особый поезд, работающий на сжиженном биогазе. Биогаза, полученного при переработке внутренностей одной коровы, достаточно, чтобы поезд проехал 4 км. [3-37]. В нашем климате для того, чтобы успешно протекал биохимический процесс, метантенк нужно подогревать. В Мурманской области работают две крупных биогазовых установки с реакторами объемом в 50 м . Близок к биогазу свалочный газ, который вырабатывается в толщах гигантских «метантенков» – старых городских свалок и добывается оттуда через скважины примерно так же, как природный газ. Биогаз – газ, получаемый метановым брожением биомассы. Разложение биомассы происходит под воздействием трёх групп бактерий. В цепочке питания последующие бактерии питаются продуктами жизнедеятельности предыдущих. Первый вид – бактерии гидролизные, второй – кислотообразующие, третий – метанообразующие. В производстве биогаза участвуют не только бактерии класса метаногенов, а все три вида. 3.7.3.2. Биоводород Биоводород – водород, полученный из биомассы термохимическим, биохимическим или другим способом, например водорослями. В настоящее время во всём мире ежегодно производится около 50 млн тонн водорода. Из них примерно 48 % производится из природного газа, 30 % из нефти, и 18 % из угля. При производстве водорода из углеводородов получается большое количество CO , который является одной из причин глобального потепления. К тому же не все страны обладают собственными углеводородами. Решением этих проблем может стать производство водорода из биомассы. Термохимический метод При термохимическом методе биомассу нагревают без доступа кислорода до температуры 500–800 °C (для отходов древесины), что намного ниже температуры процесса газификации угля. В результате процесса выделяется H2, СО и CH4. Себестоимость процесса $5–7 за килограмм водорода. В будущем возможно снижение до $1,0–3,0. [3-37]. Биохимический метод В биохимическом процессе водород вырабатывают различные бактерии, например, Rodobacter speriodes, Enterobacter cloacae. Возможно применение различных ферментов для ускорения производства водорода из полисахаридов (крахмал, целлюлоза), содержащихся в биомассе. Процесс проходит при температуре 30 °C и нормальном давлении. Себестоимость водорода около $2 за кг. Биофотолиз Учёные калифорнийского университета в Беркли (UC Berkeley) 1999 году обнаружили, что если водорослям не хватает кислорода и серы, то процессы фотосинтеза у них резко ослабевают и начинается бурная выработка водорода. Водород может производить группа зелёных водорослей, например, Chlamydomonas reinhardtii. Водоросли могут производить водород из морской воды, или канализационных стоков. 3.7.4. Синтез-газ Синтез-газ (сингаз), смесь газов, главными компонентами которой являются монооксид углерода СО и водород Н2, которую можно получать в процессе термической обработки биомассы с использованием различных технологий. В настоящее время известно о нескольких инициативах по реализации проектов в области производства синтез-газа в некоторых странах, например в США, Европе, Японии, Австралии и Индии [3-37]. 3.8. Биотоплива третьего поколения Топливо, полученное из водорослей. Кроме выращивания водорослей в открытых прудах существуют технологии выращивания водорослей в малых биореакторах, расположенных вблизи электростанций. Сбросного тепла ТЭЦ способно покрыть до 77 % потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей. Эта технология не требует жаркого тропического климата.[3-41]. Микроводоросли – сырье для производства биодизеля, биоэтанола и биоводорода. Испанская фирма Bio-Fuel-Sistems (BFS): из одного кг пасты водорослей можно получить 5700 ккал топлива. Англо-голландский нефтеконцерн Royal Dutch Shell на Гавайях. Водоросли выращивают в прудах-накопителях сточных вод, продуктивность по выходу масла с гектара в 15 раз больше чем при производстве пальмового мала. Компания "БиодизельДнипро", взяв за основу водоросли "Ботриокопкус брауний", разработала новый метод получения большого количества водорослевой биомассы в краткие сроки и нашла способ получения углеводородов близких по своим качествам к природной нефти и пригодной для изготовления транспортного топлива.[3-47]. Технология разработанная компанией имеет следующие преимущества: углекислый газ, выделяемый при каталитическом крекинге, подается в биореакторы и не попадает в атмосферу. В них он перерабатывается водорослями и полностью утилизируется с выделением кислорода. После отжима от воды и смешивания с катализатором полученная углеводно-водорослевая биомасса поддается биокаталитическому крекингу. Во время этого процесса выделяется CO , но он тоже направляется к биореакторам, поэтому все выбросы углекислого газа поглощаются водорослями (одна тонна преобразует 2 тонны вредной для окружающей среды субстанции). В мире все больше ученых концентрируются на производстве биотоплива третьего поколения из водорослей. Количество лабораторий, занимающихся проблемами производства биотоплива из водорослей в мире выросло в несколько сотен раз. Если в 2006 году этой проблемой занималось около 10 лабораторий во всем мире, то в 2009 число институтов, изучающих эту проблемы перевалило за 200. Инвестиции в этот сектор достигли почти 4 млрд долларов США. [3-48]. Водоросли представляют собой непищевую биомассу, поэтому ее использование для производства топлив не представляет угрозы продовольственной безопасности. Биотоплива третьего поколения можно выращивать промышленно в биореакторах или фотобиореакторах, освещаемых как естественным, так и искусственными источниками света, либо в открытых резервуарах на некультивируемых почвах, включая пустыни. Основные преимущества водорослей, как источника высокоэнергетически насыщенной биомассы, по мнению экспертов, состоит в том, что они растут в 20–30 раз быстрее наземных растений (некоторые виды могут удваивать свою массу несколько раз в сутки), а также производят в 15-100 раз больше масла с гектара, чем альтернативные рапс, пальмовое масло, соя или ятрофа. 3.9. Получение моторных топлив из газов газификации растительной биомассы Топлива из биомассы не содержат серу. Топлива получаются из газов газификации биомассы воздухом при невысоком давлении и температуре… В настоящее время энергетические потребности мира составляют ~ 11–12 млрд. т условного топлива (у. т.) и удовлетворяются за счет нефти и газа на 58–60 %, угля – на 30 %, гидро- и атомной энергии – на 10–12 %. В качестве источника энергии используется также растительная биомасса (дрова и др.) – порядка 1 млрд. т у.т., или 0,7 млрд. т нефтяного эквивалента (н. э.), что составляет почти четвертую часть из добычи и потребления нефти в мире (~3 млрд. т). Потребность в нефти и других видах современной энергии, вероятно, будет увеличиваться и одновременно будут усовершенствоваться методы энергетического использования растительной биомассы (помимо прямого сжигания). Применение возобновляемой растительной биомассы для производства моторных топлив целесообразно и даже необходимо в связи с ограниченностью запасов нефти. По данным XIII Нефтяного конгресса (1991 г.), разведанные запасы нефти в мире оцениваются в 140–145 млрд. т (160 млрд. м ), которых при современном потреблении нефти в мире может хватить на 35–45 лет. По отдельным регионам проблемы с запасами нефти стоят более остро: 76 % запасов находится на Ближнем и Среднем Востоке, в Латинской Америке. На остальные регионы остаестся 24 %, из которых 6–7% приходится на СНГ. Учитывая уровень добычи нефти в 1990 г., этих запасов может хватить на 1518 лет. Потребность нефти в Российской Федерации – 270–300 млн. т, в целом по СНГ – 450 млн. т (для сравнения – США потребляют около 800 млн. т нефти). В дальнейшем потребление нефти в мире будет возрастать, поэтому, учитывая дефицит нефти, необходимо развивать новые пути получения жидких моторных топлив. [3-49]. 3.10. Биотопливо – плюсы и минусы Энергетический бюджет мира углеродный: за счет нефти, угля и газа более 70 % производимой энергии. Это вдвойне опасно, поскольку не только ведет к повышению концентрации диоксида углерода в атмосфере, но и чревато истощением источников энергии. Мировое сообщество предпринимает активные попытки снизить зависимость энергетики от ископаемого топлива. Одно из новых направлений развития современной энергетики – использование биотоплива. [3-50]. Критика. Растущий спрос на биотопливо вынуждает сельхозпроизводителей сокращать посевные площади под продовольственными культурами и перераспределять их в пользу топливных. Но такие заявления противников биотоплив не совсем корректны. При производстве этанола из кормовой кукурузы барда используется для производства комбикорма для скота и птицы. При производстве биодизеля из сои или рапса жмых используется для производства комбикорма для скота. То есть производство биотоплива создаёт ещё одну стадию переработки сельскохозяйственного сырья По расчётам экономистов из Университета Миннесоты, в результате биотопливного бума число голодающих на планете к 2025 году возрастёт до 1,2 млрд. человек. Но, продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (FAO) в своем отчете за 2005 г. говорит о том, что рост потребления биотоплив может помочь диверсифицировать сельскохозяйственную и лесную деятельность, и улучшить безопасность пищевых продуктов, способствуя экономическому развитию. Производство биотоплив позволит создать в развивающихся странах новые рабочие места, снизить зависимость развивающихся стран от импорта нефти. Кроме этого производство биотоплив позволит вовлечь в оборот ныне не используемые земли. Например, в Мозамбике сельское хозяйство ведётся на 4,3 млн га из 63,5 млн га потенциально пригодных земель. Распространение. По оценкам Worldwatch Institute в 2007 году во всём мире было произведено 54 миллиарда литров биотоплив, что составляет 1,5 % от мирового потребления жидких топлив. Производство этанола составило 46 миллиардов литров. США и Бразилия производят 95 % мирового объёма этанола. [3-50]. Экономический эффект. По оценкам Merrill Lynch прекращение производства биотоплив приведёт к росту цен на нефть и бензин на 15 %. По оценкам Стэндфордского университета во всём мире из сельскохозяйственного оборота выведено 385 – 472 миллиона гектаров земли. Выращивание на этих землях сырья для производства биотоплив позволит увеличить долю биотоплив до 8 % в мировом энергетическом балансе. На транспорте доля биотоплив может составить от 10 % до 25 %. Производство биотоплива из продовольственного сырья недопустимо, получать его нужно из любых органических отходов и древесины быстрорастущих пород. [3-50] Существуют три основные проблемы в использовании биотоплива в качестве топлива для автомобильного транспорта: 1) Биотопливо должно быть произведено с минимальными выбросами CO и других воздействий на окружающую среду. 2) Биотопливо должно быть «пригодным для целей» без экологических для транспортных средств оперативных последствий. 3) производство биотоплива не должно конкурировать с производством продовольствия. В частности, компания Toyota изучает биотоплива второго поколения из древесины или соломы. Это обещает ряд преимуществ, среди которых не вызывает затруднений использования в существующих транспортных средств и перспектива еще большего сокращения выбросов парниковых газов. Совместимость ДВС с применением Биотоплива [3-51]. Совместимость автомобилей марки Toyota и Lexus, произведенных для европейского рынка с использованием смеси биотоплива: Бензин (статус июля 2010 года) Toyota: Все европейские модели с января 1998 года могут использовать бензин с более 10 % этанола (E10), за исключением следующих моделей: Avensis 2.0 L с двигателем 1AZ-FSE сделаны в период с июля 2000 года по октябрь 2008 года; Avensis 2.4 L с двигателем 2AZ-FSE между июне 2003 года и октябре 2008 года. Lexus: Все европейские модели с января 1998 года могут использовать бензин с 10 % этанола (E10), за исключением следующих моделей: IS250 2.5 L V6 с двигателем 4GR-FSE сделаны в период с августа 2005 года по сентябрь 2007 года; GS300 3.0 L V6 с двигателем 3GR-FSE период с января 2005 года по сентябрь 2007 года, и LS460 4.6 L V8 с двигателем 1UR-FSE между августом 2006 года и сентябре 2007 года. Все бензиновые автомобили Toyota и Lexus, которые не совместимы с E10 могут использовать бензин с 5 % этанола (E5). DIESEL (по состоянию на июль 2010 г.) Все европейские дизельные модели Toyota и Lexus совместимы с B7 Европейского стандарта EN590: 2009. Директива 2003/30/EC Европейского Парламента и Совета от 8 мая 2003 года о продвижении использования биотоплива и других возобновляемых видов топлива для транспорта. [3-52]. 16/10/2007 Директива требует, чтобы государства члены приняли законодательство и необходимые меры для обеспечения того, чтобы биотопливо (жидкое или газообразное топливо, используемое для транспортировки и производимый из биомассы, то есть биологически разлагаемые отходы и остатки, например, сельское и лесное хозяйство) в минимальных долях от проданного топлива на своей территории использовалось. В контексте устойчивого развития в Европе и в Зеленой книге "На пути к европейской стратегии энергетической безопасности", Комиссия предлагает подлинный план действий, направленный на увеличение доли биотоплива до более чем 20 % европейского бензина и дизельного топлива для потребление в 2020 году. По прогнозам в Зеленой книге, транспортный сектор будет расти примерно на 2 % в год в течение ближайшего десятилетия. Тем не менее, более широкого использования биотоплива на транспорте является частью пакета мер, необходимых для соблюдения Киотского протокола. Конечной целью является снизить зависимость от использования нефтяного топлива, которое является существенной причиной для беспокойства для Европейского Союза (ЕС) в отношении окружающей среды и безопасность поставок. 3.11. Термохимическая конверсия биомассы в топливо Более подробно технологии переработки биомассы в топливо описаны в главе 4. 3.11.1. Прямое сжигание – древнейший, но наименее выгодный процесс с КПД получения тепловой энергии 15… 18 %. 3.11.2. Пиролиз термохимическая конверсия сырья без доступа воздуха при температуре 450…550 °C. 3.11.3. Газификация – сжигание биомассы при температуре 900… 1 500 °C в присутствии воздуха или кислорода и воды. 3.11.4. Сжижение – производство жидкого топлива из биомассы путем термической конверсии: термический пиролиз или газификация в присутствии катализаторов. 3.11.5. Быстрый пиролиз – биомасса в течение короткого времени подвергается воздействию экстремально высоких температур (700… 1 400 °C)., 3.11.6. Синтез – каталитический синтез метанола из газов, образующихся при термической конверсии биомассы. 3.12. Биотехнологии К биотехнологиям относятся такие процессы, как: биогазовые технологии; производство этанола, бутанола, изобутанола; получение биодизельных топлив, жирных кислот, растительных углеводородов; производство биоводорода, получение тепловой энергии. 3.12.1. Биогазовые технологии. Биогаз – смесь метана и углекислого газа – продукт метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения 3.12.2. Производство этанола. Этанол, а также другие низшие спирты, альдегиды и кетоны – продукты спиртового брожения разнообразных сахаро- и крахмалосодержащих субстратов. 3.12.4. Биодизельное топливо имеет те же характеристики, что и обычные дизельные масла, которые могут использоваться в дизельных двигателях. 3.12.5. Получение тепловой энергии активным компостированием (микробное окисление). Использование этого метода для утилизации твердой биомассы и, прежде всего, твердых органических отходов также может внести существенный вклад в энергетику, в частности, в производство тепловой энергии. Одна из особенностей решения этой проблемы в ХХI веке состоит в том, что энергопроизводство должно быть экологически чистым. 3.13. Вклад биомассы в мировое производство энергии Таблица. 3-5 Прогноз роста скоростей вклада возобновляемых источников энергии в мировой энергетический баланс (%) [3–5] Скорость прироста вклада биомассы в энергобаланс мира намного меньше, чем у других типов возобновляемых источников энергии. Но вклад биомассы в 2001 году составлял 1.1–1.2 млрд. тонн нефтяного эквивалента (н. э.) при общем вкладе всех ВИЭ – 1.36 млрд. тонн н. э. при общем производстве энергии в мире – 10 млрд. тонн н. э. К 2040 году общее потребление энергии в мире прогнозируется на уровне 13.5 млрд. тонн н. э. (100 %), вклад всех ВИЭ к этому периоду – 47,7 % или 6.44 млрд. тонн н. э., тогда как вклад биомассы составит 23,8 % или 3.21 млрд. тонн н. э. [3–5]. В последние годы в опубликованных многочисленных глобальных энергетических сценариях была включена устойчивая роль возобновляемой энергетики для энергетической обеспеченности, и вклад биомассы для этих целей может составить: от 59 до 145 х 10 дж к 2025 году и от 94 до 280 х 10 дж к 2050 г. В 2003 году вклад биомассы в общий энергобаланс Европейского Союза (15 стран) составил 3,6 %, что несколько выше, чем все остальные возобновляемые источники энергии (3,4 %), но их доля различна: так, в Австрии она равна 12, в Швеции – 18, в Финляндии – 23 %. К 2030 году этот вклад планируется увеличить до 19 % (27 стран ЕС). [3-53]. Таблица. 3-6 Рост вклада биомассы в общее потребление энергии в отдельных станах. [3–6] Основные направления использования биомассы в целях энергетики Европейского Союза [7]: 1. Производство пеллет и древесной щепы (прямое сжигание). 2. Газификация и пиролиз («синтез»– газ или по- европейски – «син-газ»», метанол для транспорта). 3. Производство биоэтанола. 4. Производство биодизельного топлива. 6. Производство биоводорода. 7. Производство биогаза Таблица. 3–7. Перспективы потребления биотоплив в Европе. 2000 – 0.9 млн. тонн нефт. экв./год 2005 – 5.0 ««« 2010 – 17.0 ««« 2020 – 37.0 ««« при стоимости 350–450 Евро за 1 тонну нефтяного эквивалента. Большая часть накапливаемой биомассы, постепенно трансформируясь, главным образом, в результате сложных трофических (пищевых) связей, в конечном итоге окисляется до СО . По законам сохранения энергии этот процесс сопровождается выделением энергии, которая рассеивается в окружающую среду. Глобальные экологические тенденции подталкивают к более совершенным и безопасным для здоровья человека способам производства, к уменьшению отходов, к уменьшению загрязнений от транспорта, к сохранению естественных ландшафтов и лесов, к рассредоточенному производству энергии и сокращению эмиссии парниковых газов [3–8]. Важная роль в решении этих проблем отводится производству и использованию биотоплив. В 2000 году мировой рынок биотоплив оценивался в сумме 866 миллионов долл. США. В 2004 году он составил 1.28 млрд долл. И к 2013 году – 2.14 млрд. долл. США. Прогнозируется, что во втором десятилетии в производство биотоплив будет инвестировано около 18 млрд. долл. В развивающихся странах биомасса является главным источником энергии для многих ремесленников и малых производств: хлебопечение, пивоварение, текстильная мануфактура, производства табака, кофе, чая, копченостей, кирпича и т. п. Например, в Азии около 20 % регионов используют дрова в сельскохозяйственном производстве и при переработке сельхозпродуктов [3–9]. Древесный уголь применяется при производстве железа, стали, цемента и т. д. В Бразилии для тяжелой промышленности требуется ежегодно свыше 6 млн т древесного угля. Здесь для получения топлива и энергии эффективно используется багасса. Оценка энергетического потенциала остатков багассы после обеспечения всей энергии, необходимой для сахарного производства и получения этанола, составляет 6 000 МВт. В 1995 г. имелось 12 заводов мощностью 114,8 МВт по производству спирта, использующих багассу. Несмотря на очевидную выгодность ее энергетического использования, в Бразилии имеются проблемы, уменьшающие масштабы применения последней: ограничения на использование частного капитала для развития промышленного производства электроэнергии; длительные сроки окупаемости оборудования, применяющего багассу; сезонность потребления багассы и трудности ее хранения; сложности связывания национальных и региональных энергосетей в большинстве далеких сельских районов; низкие тарифы на электроэнергию и необходимость правительственных субсидий [3-10]. В Индии программа децентрализации производства энергии, инициированная в 1995 г., обеспечила поддержку проектов по производству энергии мощностью от 10 до 15 МВт в малых сельских общинах. Предусматривалось на период 1970–2000 гг. выполнить проекты установок общей мощностью 500 МВт. Проект включал в себя создание около 1 600 систем газификации мощностью 16 МВт главным образом для получения электроэнергии в сельской местности. Для Индии потенциальные возможности использования багассы оцениваются в пределах 2 800…5 100 МВт. В Китае к 2010 г. планировалось создание станции мощностью 300 МВт по газификации багассы, соломы и опилок. В США реализуются проекты: государственной электростанции на Гавайях (сжигание багассы в псевдоожиженном слое) мощностью 3…5 МВт и электростанции в штате Вермонт мощностью 45 МВт, работающей на древесной щепе. Страны Европейского Союза (ЕС) также активно размещают системы газификации биомассы. В 1990 г. их мощность составляла 15 МВт., к 2000 г. планировалось довести эти мощности до 20…30 МВт, а к 2005 г. до 50…80 МВт. Конец ознакомительного фрагмента. Текст предоставлен ООО «ЛитРес». Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/evgeniy-panchava/bioenergetika-mir-i-rossiya-biogaz-teoriya-i-praktika/?lfrom=688855901) на ЛитРес. Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.