Биоэнергетика как альтернативный источник энергии

Биоэнергетика — самая древняя форма возобновляемой энергии, если вспомнить костры из древесины, которыми пользовались люди с незапамятных времен. Эта форма «традиционного биотоплива» по-прежнему широко используется во многих «развивающихся» странах. В настоящее время биоэнергетика находится на более продвинутом уровне, но по-прежнему ее источник — растения.

1 Введение в биоэнергетику

Биоэнергетика — общий термин для энергии, получаемой из материалов, которые являются или были недавно живой материей, это:

• древесина

• соломенная масса

• масличные культуры

• отходы животноводства.

В совокупности они называются биомассой.

Вся живая материя Земли, ее общая биомасса, существует в тонком поверхностном слое, называемом биосферой, который составляет лишь крошечную часть общей массы Земли, но представляет собой огромный запас химической энергии.

Хотя большая часть данного запаса недоступна для использования человеком, это хранилище, которое постоянно пополняется потоком энергии от Солнца в процессе фотосинтеза. Как вы можете видеть из рисунка 1, в этом процессе углекислый газ берется из воздуха и соединяется с водой из окружающей среды, образуя живой органический материал, выделяя при этом кислород. Кроме того, небольшая часть углерода от разлагающихся животных и растительных остатков (включая корни растений) превращается в почвенное органическое вещество, значительное хранилище углерода.

Если мы вмешаемся в этот процесс и «захватим» часть биомассы на той стадии, когда она действует как хранилище химической энергии, мы можем использовать ее в качестве топлива, то есть материала, который может выделять полезную энергию через изменение ее химического состава, обычно путем сжигания. Генерируется тепло, которое может быть использовано как непосредственно, так и для получения пара, чтобы произвести электроэнергию.

Биомасса также может быть преобразована в промежуточное биотопливо, такое как:

• древесный уголь
• биогаз
• биоэтанол
• биодизель

При условии, что наше потребление не превышает естественный уровень производства, при сжигании биомассы не должно выделяться больше тепла и углекислого газа, чем в любом случае образовалось бы в результате естественных природных процессов.

 По последним оценкам, ежегодный вклад традиционной биомассы в мировое производство энергии колеблется в пределах 40–60 Эксаджоулей (ЭДж).

В развивающихся странах на традиционную энергию из биомассы приходится около трети от общего потребления первичной энергии. В промышленно развитых странах энергетический вклад биомассы является значительным и растет, особенно в странах с крупной лесной промышленностью, таких как Швеция и Финляндия.

2 Биомасса как хранилище солнечной энергии

Ключевым механизмом в использовании биоэнергии является фотосинтез, при котором растения поглощают углекислый газ (CO₂) и воду (H₂О) из окружающей среды и используют энергию солнечного света для преобразования этих веществ в растительную биомассу.

Процесс может быть представлен следующим химическим уравнением:

Первый продукт – глюкоза (C₆H₁₂O₆) — это углевод, который преобразовывается в растении в более сложные углеводы, включая крахмалы и целлюлозу, или может быть объединен с азотом и другими элементами для образования белков и других компонентов. Второй продукт — кислород, который выделяется в атмосферу.

Часть образующихся богатых энергией углеводов расщепляется в других частях растения в процессе дыхания (обратного фотосинтеза) с поглощением кислорода, выделением углекислого газа и выделением энергии. На рисунке 3 видно, как работает этот углеродный цикл:

2.1 Сколько энергии можно получить из биомассы?

Урожайность культуры (независимо от того, выращивается ли она для производства продуктов питания, волокна или топлива) представляет собой количество биомассы, производимой на гектар за год, и является основным фактором, определяющим энергию, которую мы можем получить из этой культуры.

Урожайность зависит от нескольких факторов, в том числе:

• места произрастания

• климата

• погоды

• характера почвы

• запасов воды

• питательных веществ

• сорта растения

Это означает, что для энергетических культур масса растительного вещества, производимого ежегодно на площади в один гектар, может разниться от одной до тридцати тонн. С энергетической точки зрения это представляет собой диапазон от 15 ГДж до 400 ГДж на гектар в год.

3 Биомасса как топливо

Топливо – это материалы, из которых можно извлечь полезную энергию. При использовании биомассы в качестве топлива это высвобождение энергии обычно связано с сжиганием.

Некоторые существенные особенности сжигания:

• для этого нужен воздух – или, если быть более точным, кислород

• химический состав топлива претерпевает серьезные изменения

• вырабатывается тепло, то есть выделяется энергия.

Рассмотрим, например, метан – основной компонент ископаемого топлива природного газа, а также одну из форм газообразного биотоплива. Как показано на рисунке 4, каждая молекула метана состоит из одного атома углерода и четырех атомов водорода: CH₄. Атмосферный кислород имеет молекулы, состоящие из двух атомов (O₂). При сгорании каждая молекула метана реагирует с двумя молекулами кислорода с образованием углекислого газа и воды. Выделяемая тепловая энергия представляет собой разницу между химической энергией исходного топлива плюс кислород и химической энергией полученного углекислого газа плюс вода. Это содержание энергии (или теплосодержание) метана.

4 Энергия биомассы из растений

В последние годы все большее внимание привлекают энергетические культуры – растения, выращиваемые специально для получения биоэнергии.

Эти растения можно классифицировать в соответствии с физической и химической природой используемой биомассы. Теплосодержание сочетает в себе теплотворную способность биотоплива, полученного из урожая, и теплосодержание остатка, который также можно сжечь. Наблюдаются большие различия как в урожайности, так и в энергосодержании, хотя очевидно, что тропические районы, такие как Бразилия и Индонезия, имеют значительно больший потенциал биомассы на единицу площади, чем умеренные климатические зоны, такие как Европа.

4.1 Биомасса из древесины

Хорошо управляемые леса могут быть надежным источником топлива, снижая содержание CO₂ в атмосфере по мере роста деревьев, которые могут расти до нескольких столетий, заменяя ископаемое топливо.

В последние годы возрос интерес к древесным культурам, которые специально сажают исключительно в целях дальнейшего получения энергии.

Наиболее распространенной системой управления для этих видов сельскохозяйственных культур является лесоводство с коротким периодом ротации (short rotation forestry — SRF) и менее распространенный вариант, известный как выращивание с коротким периодом вырубки (short rotation coppicing — SRC). При этом происходит периодическая вырубка леса каждые 8-20 лет с последующей повторной посадкой деревьев (SRF) или, при культивировании соответствующих видов деревьев, каждые 3-5 лет после рубки из оставленных пней произрастают новые растения (SRC).

Для производства топлива также используются растения, которые не являются древесными.

4.2 Биомасса из травянистых растений

Структурная прочность недревесных (то есть травянистых) растений обеспечивается в основном целлюлозой, которая является основной составной частью стеблей и других опорных тканей всех основных продовольственных культур.

Наиболее распространенной целлюлозной биоэнергетической культурой для умеренного климата является мискантус высокорослый.

Другие распространенные растения, которые могут быть пригодны для производства целлюлозной биомассы, это:

• папоротник

• гуннера

• морские водоросли (ламинарии)

• эйхорния (водяной гиацинт)

4.3 Другие энергетические культуры

Крахмалистые и сахаристые культуры

Основным энергетическим компонентом биомассы культур, примеры которых показаны на рисунке 7, является их сахар или крахмал, которые можно ферментировать для получения этанола. Во всем мире наиболее важными культурами для целей биоэнергетики являются сахарный тростник и кукуруза.

Рисунок 7 Крахмальные/сахарные культуры

Еще одна богатая сахаром культура, представляющая интерес в Европе, — сахарная свекла, в корнеплодах которой содержится 15-20% сахара. Для получения энергии также могут использоваться жмых сахарного тростника (волокнистый остаток сахарного тростника) и солома кукурузы и других зерновых культур.

Масличные культуры

Подсолнечник, рапс и соевые бобы повсеместно выращиваются для получения масла из их семян, а в тропических районах основной культурой является масличная пальма (лат. — Elaeis guineensis).

Масла из этих культур могут быть преобразованы в заменитель дизельного топлива, известный как биодизель. Как и в случае с крахмалосодержащими/сахаросодержащими культурами, рассмотренными выше, в процессе производства остаются отходы, которые в настоящее время часто используются в качестве корма для животных, но которые также могут быть биоэнергетическим сырьем.

Масло из всех этих культур широко применяется во многих сферах человеческой деятельности, например, в пищевой промышленности и косметологии. Однако вызывает опасение превращение зрелых здоровых лесов в плантации пальмового масла в Юго-Восточной Азии и в других местах. Широкое использование пальмового масла для производства биоэнергии может привести к увеличению вырубки лесов.

Для производства энергии также можно использовать некоторые виды водорослей, поскольку они тоже участвуют в фотосинтезе.

4.4 Микроводоросли и другие микроорганизмы

Кроме крупных морских водорослей, существуют также одноклеточные водные микроводоросли и цианобактерии, которые участвуют в процессе фотосинтеза. Были предложены конструкции биореакторов, позволяющие использовать микроводоросли в качестве источника энергии, как показано на рисунке 8.

Потенциально они могут стать очень перспективным источником биоэнергии, потому что:

— они растут в воде и устойчивы к широкому диапазону солености и температуры;

— они не занимают землю, которая может быть использована для производства других продуктов;

— при соответствующих условиях клетки водорослей могут содержать высокий процент масел, а цианобактерии могут выделять масло в окружающую среду: микробиологические остатки после извлечения масла также могут быть использованы в качестве источника энергии;

— возможно, что их можно одновременно использовать для очистки вод, загрязненных биогенными элементами, а полученную биомассу, включая масло, использовать для получения энергии;

— некоторые формы микроводорослей также рассматриваются как средство для улавливания углекислого газа на электростанциях.

Можно ли использовать остатки продуктов, не используемых в энергетике, в качестве дополнительных «вторичных» источников биоэнергии?

5 Вторичная энергия биомассы из отходов, остатков и других побочных продуктов

Многие материалы, такие как солома или отходы от обработки риса, образующиеся в результате «неэнергетического» использования биомассы, также являются потенциальными источниками биомассы для получения энергии. Кроме того, выделяют энергию при сжигании городских и промышленных отходов. Настоящими возобновляемыми источниками энергии считаются только отходы биологического происхождения, в отличие, например, от полимерных материалов («пластмасс»), синтезированных из ископаемого топлива.

5.1 Древесные остатки

При лесозаготовках около 15% древесины остается на земле в виде различных сучьев при обрезке срубленных деревьев. Однако современные методы лесозаготовки, используемые в таких странах, как Швеция, позволяют использовать часть остатков для производства тепла и/или электроэнергии.

Возможно, наибольшее использование древесных отходов в качестве топлива имеет место в целлюлозно-бумажной промышленности, где фабрики используют такие отходы для своего производства. Существуют также побочные продукты от зерновых культур, которые будут рассмотрены далее.

5.2 Побочная продукция зерновых культур умеренных и тропических зон

Во всем мире отходы от переработки двух основных зерновых культур умеренной зоны — пшеницы и кукурузы — составляют более миллиарда тонн в год, с предполагаемым содержанием энергии 15-20 ЭДж (15-20×10¹⁸ Дж).

Для использования соломы в качестве источника биоэнергии, ее необходимо спрессовывать, убирать с полей, хранить в сухом месте и транспортировать к месту использования. Несмотря на то, что она имеет приемлемую удельную энергоёмкость до 15 ГДж/т (15×10⁹ Дж/т), она имеет относительно низкую плотность и занимает значительный объем, что делает транспортировку и хранение дорогими.

Несколько европейских стран уже имеют большой опыт сжигания соломы для выработки электроэнергии, например, на большой комбинированной теплоэлектростанции в Аведере под Копенгагеном.

Существуют также энергетические побочные продукты, получаемые из тропических продовольственных культур.

Энергетическое содержание годовых отходов двух основных тропических продовольственных культур, сахарного тростника и риса, оценивается примерно в 18 ЭДж (18×10¹⁸ Дж), и значительные объемы отходов тропических культур уже используются в качестве топлива.

Багасса — отходы сахарного тростника после выдавливания из него сока, используется на сахарных заводах в качестве топлива для получения пара и выработки электроэнергии для использования на заводах, примерно так же, как древесные остатки используются на целлюлозно-бумажных комбинатах.

Рисовая шелуха — один из самых распространенных сельскохозяйственных отходов в мире, составляющий примерно одну пятую часть сухого веса нешлифованного риса. Благодаря своей однородной текстуре она подходит для таких технологий, как процесс переработки твёрдого биотоплива в горючие газы, путём окисления воздухом, кислородом и др.

Далее будут рассмотрены виды отходов, используемых в качестве вторичных источников энергии.

5.3 Отходы

В качестве вторичных источников энергии можно использовать различные виды отходов.

Например, при анаэробном разложении навоза животных (разложение в отсутствие воздуха), выделяется метан – горючий газ, но он, в то же время является мощным парниковым газом, даже более мощным, чем углекислый газ. Поэтому фермерам рекомендуется развивать контролируемое анаэробное сбраживание, которое не приводит к выбросам метана в атмосферу.

Другим источником является смесь куриного помета, соломы, древесной стружки и т.д., энергетическое содержание которой находится в диапазоне 9-15 ГДж/т, что позволяет сжигать ее для выработки электроэнергии.

Бытовые отходы в основном собираются в виде твердых бытовых отходов (ТБО) с содержанием энергии около 9 ГДж на тонну. Среднее домашнее хозяйство в промышленно развитой стране производит более тонны твердых отходов в год.

В континентальной Европе и других странах сжигание бытовых отходов для получения тепла или получения энергии из отходов (energy-from-waste EfW) является важной частью управления отходами. Вырабатываемое тепло используется непосредственно для централизованного теплоснабжения или производства электроэнергии.

Теперь посмотрим, как перерабатывается биомасса.

6 Переработка биомассы

Как вы видели, ресурсы биомассы имеют разнообразные физические формы с разным содержанием энергии, но они все требуют переработки, чтобы сделать их более приемлемыми для пользователей или более удобными для транспортировки, а затем может потребоваться специальное оборудование для высвобождения энергии в полезной форме. Это может включать физические, термохимические или биохимические процессы, как по отдельности, так и в комбинации.

6.1 Физическая обработка

Древесина — не самое удобное топливо, но при ее измельчении получается более однородный материал, с которым легче обращаться в больших объемах. Соответствующая обработка позволяет превратить материал в гранулы одинакового размера, которые можно упаковать в мешки для розничной продажи или перевозить их в больших количествах.

Также были разработаны системы для производства гранулированной соломы высокой плотности, что позволяет автоматически загружать топливные котлы, а также сократить расходы на транспортировку и хранение.

В таких культурах, как рапс, соя и масличные пальмы, масло содержится в семенах. Масло должно быть отделено от окружающих тканей либо прессованием, либо с помощью растворителя, который растворяет масло, облегчая его отделение от остального материала.

6.2 Термохимическая переработка

Термохимические процессы подразумевают использование тепла и, возможно, химических реагентов для преобразования биомассы в энергетически более полезные формы. На выходе может быть получено тепло или промежуточное газообразное или жидкое топливо.

Пиролиз и торрефикация

Пиролиз — один из самых старых и простых методов переработки древесины для получения лучшего топлива — древесного угля. Древесный уголь — это почти чистый углерод с плотностью энергии примерно в два раза выше, чем у исходной древесины, что делает его более легким и эффективным для транспортировки и хранения. Он горит при гораздо более высокой температуре, поэтому для его использования гораздо легче сконструировать простую и эффективную печь. Однако топливный цикл производства древесного угля является потенциально очень затратным и загрязняющим окружающую среду.

Торрефикация (низкотемпературный пиролиз) — это промышленная термохимическая обработка биомассы при температуре 200-340 °C. Получаемая в результате твердая «торрефицированная» биомасса, иногда называемая биоуглем, имеет примерно на 30% более высокое содержание тепловой энергии, повышенную плотность и пониженное содержание нежелательных элементов, таких как хлор, по сравнению с исходной биомассой.

Как при пиролизе, при торрефикации выделяются летучие компоненты. Термин «пиролиз» в настоящее время обычно применяется к процессам, целью которых является сбор этих летучих компонентов и их конденсация для получения жидкого топлива или биомасла.

Газификация

Газификация — это термохимический процесс, при котором из твердого топлива получается газообразное топливо. Существует два основных процесса: пиролиз и переэтерификация.

Пиролиз используется для высвобождения летучих веществ из нагретого твердого вещества, затем смолы в газовом потоке конденсируются, а на выходе получается произведенный газ. Содержание энергии в этом газе составляет лишь десятую часть от содержания энергии в природном газе, получаемом из ископаемых видов топлива, но этого достаточно для работы двигателей внутреннего сгорания, а газ более высокого качества можно получить, используя при сжигании не воздух, а кислород. Полный процесс промышленной газификации с использованием кислорода позволяет получить смесь монооксида углерода и водорода, так называемый как синтез-газ, или сингаз, из которого можно синтезировать практически любое углеводородное соединение, включая жидкое топливо высшего качества, такое как метанол.

Переэтерификация

Растительные масла могут сжигаться непосредственно в некоторых современных дизельных двигателях, как в автомобиле, показанном на рисунке 9, в чистом виде или в смеси с дизельным топливом. Переработка растительных масел в биодизель приводит к получению топлива, которое может смешиваться с нефтяным дизельным топливом или применяться в автомобилях с немодифицированными двигателями. Процесс преобразования растительного масла в биодизель называется переэтерификацией (transesterification).

Производство биотоплива в Европейском Союзе, около 80% которого составляет биодизель, достигло почти 6 ЭДж в 2015 году по сравнению с почти нулевым показателем 1990 года, хотя быстрый рост в начале 2000-х годов значительно замедлился в последние годы.

Последний тип переработки, который мы рассмотрим — биохимический.

6.3 Биохимическая переработка

Биохимические процессы основаны на использовании микроорганизмов для преобразования биомассы в более полезные формы биоэнергии. Эти процессы включают анаэробное сбраживание, ферментацию и ферментативное преобразование.

Анаэробное сбраживание

Анаэробное разложение (сбраживание) — биологический процесс превращения органических отходов в биогаз в присутствии природных бактерий и в отсутствие воздуха. В этом процессе бактерии расщепляют органический материал до сахаров, а затем до различных органических кислот, которые далее разлагаются с получением биогаза. В качестве сырья могут использоваться навоз или сточные воды, отходы пищевой промышленности, выброшенные продукты питания, сельскохозяйственные остатки или специально выращенные силосные культуры, которые убираются зелеными.

Полученный биогаз можно сжигать для получения тепла или использовать в качестве топлива для двигателей внутреннего сгорания, приводящих в действие генераторы электроэнергии.

Твердые бытовые отходы также могут подвергаться более контролируемому анаэробному сбраживанию, что позволяет получать гораздо более высокий и быстрый выход газа.

Ферментация для получения этанола

Здесь простые сахара из биомассы сырья преобразуются в этанол и углекислый газ под действием различных микроорганизмов, обычно дрожжей. Затем этанол отделяется от других компонентов в специальных перегонных аппаратах, так что этанол выкипает, затем охлаждается и конденсируется обратно в жидкость.

Ферментативное преобразование

Ферментация для получения этанола требует наличия растворимых сахаров, но большая часть биомассы состоит в основном из целлюлозы, гемицеллюлозы и лигнина. После предварительной обработки такого материала, например, гидротермальной, образовавшуюся водянистую суспензию целлюлозы и гемицеллюлозы можно обработать ферментами. Эти биологические катализаторы обычно получают из микроорганизмов, таких как бактерии или грибы, и они способны расщеплять целлюлозу и гемицеллюлозу до более простых углеводов, которые могут быть использованы в классических бродильных аппаратах.

Такие комбинации термохимических и ферментативных процессов преобразования, которые позволяют использовать целлюлозную биомассу для производства этанола, в настоящее время называются передовыми технологиями или технологиями биоэтанола следующего поколения. Они позволяют увеличить поставки сырья, избегая конкуренции с поставками продовольствия или кормов, и легче соответствовать стандартам устойчивости биоэнергетики.

Схематическое изображение пилотного завода второго поколения, созданного компанией Inbicon в Калундборге, Дания, показано на рисунке 11.

Теперь перейдем к обсуждению воздействия биоэнергетики на окружающую среду.

7 Воздействие биоэнергии на окружающую среду

Важно учитывать не только преимущества использования биоэнергии, но и любые возможные негативные последствия, глобальные или местные. К ним могут относиться выбросы вредных веществ и использование земли.

7.1 Выбросы

Диоксид углерода (CO₂), диоксид серы (SO₂)и оксиды азота (NO_х)

«Фиксация» атмосферного CO₂ путем посадки деревьев в очень больших масштабах – мысль, конечно, интересная. Прекращение вырубки лесов принесет много экологических выгод, также как и повторная посадка деревьев на больших территориях. Однако поглощение углекислого газа новыми лесными насаждениями — это хоть и универсальная, но одноразовая мера, «выигрыш времени» за счет фиксации атмосферного CO₂ пока деревья растут, скажем, в течение 30-60 лет. Более эффективным представляется замена ископаемого топлива биотопливом.

Несомненно, технологии использования возобновляемых источников энергии, в частности биоэнергетика, могут иметь значительные экологические преимущества. В отличие от угля и природного газа, биоэнергетика может вырабатывать электроэнергию и топливо без выделения значительных количеств CO₂ и других парниковых газов, которые способствуют изменению климата, однако было обнаружено, что ожидания на значительное сокращение парниковых газов при использовании ряда видов биотоплива не оправдались.

Чтобы проанализировать целесообразность замещения ископаемого топлива на биотопливо, необходимо оценить все особенности этой проблемы в рамках анализа жизненного цикла — методологии оценки воздействия на окружающую среду, связанной со всеми этапами жизненного цикла продукта (в нашем случае электроэнергии).  

Были проведены исследования, связанные с оценкой жизненного цикла производства электроэнергии на основе каменного угля, бурого угля, природного газа, нефти, атомной энергии, биомассы, гидроэлектростанций, солнечной фотоэлектрической энергии и ветряных электростанций, чтобы определить объемы выбросов парниковых газов, относящиеся к отдельным технологиям.

Данные о выбросах были оценены в отношении трех фаз жизненного цикла:

— обеспечение топливом

—  эксплуатация станции

— инфраструктура.

Для установок, работающих на ископаемом топливе, прямые выбросы в течение жизненного цикла составляли большую часть на этапе эксплуатации станций, в то время как на этапе обеспечения топливом выбросы были больше для технологий, работающих на биомассе (парниковые газы — 71%, NO_х — 54%, SO₂ — 61%) и ядерной энергетики (60% — парниковые газы, 82% — NO_х и 92% — SO₂); инфраструктура оказала наибольшее влияние на возобновляемые источники энергии.

В таблице 1 приведен анализ жизненного цикла для различных систем производства электроэнергии. Здесь показаны выбросы углекислого газа, диоксида серы и оксидов азота.

Таблица 1 Выбросы газов в течение жизненного цикла различными системами производства электроэнергии в Великобритании

Видно, что даже в самых лучших системах все равно в выбросах присутствует CO₂, но все биоэнергетические системы, даже использующие сжигание ТБО, имеют более низкие выбросы CO₂, чем любая из установок, работающих на ископаемом топливе.

Оксиды азота и серы

Оксиды азота (NO_x) являются неизбежным продуктом сгорания в воздухе любого топлива, потому что почти на 80% воздух состоит из азота. Высокие температуры в печах или двигателях внутреннего сгорания увеличивают выработку NO_x, и биоэнергетические системы должны будут соответствовать тем же требованиям к «очистке», что и системы, использующие ископаемое топливо. Это также относится к удалению твердых частиц. Выбросы оксидов серы зависят от содержания серы в биотопливе, и будут меняться в зависимости от конкретных характеристик соответствующего сырья.

Диоксины

Диоксины представляют собой сложные канцерогенные соединения, образующиеся при горении, и по-прежнему вызывают озабоченность общественности. Однако, по оценкам, например, в Великобритании, на долю EfW (получение энергии за счёт утилизации отходов — energy recovery from waste – EfW) приходится всего 0,1% выбросов диоксинов. Великобритания и ЕС применяют все более строгие стандарты для выбросов вредных веществ и внедряют современные технологии контроля загрязнения.

Метан

Метан (CH₄) является мощным парниковым газом, образующимся в результате анаэробного расщепления биомассы. Молекула CH₄ примерно в 22 раза эффективнее улавливает излучаемое Землей тепло, чем молекула CO₂.

При надлежащем хранении и эффективном сжигании выбросы метана из ТБО должны быть низкими. Однако на свалках невозможно собрать весь газ, и неизбежно происходят выбросы метана в атмосферу. Это имеет место независимо от того, собирается и используется этот газ или нет, поэтому наиболее важным фактором является то, являются ли выбросы метана на установках анаэробного сбраживания больше или меньше, тех, которые в любом случае происходят естественным образом на свалках.

7.2 Землепользование

На определенном этапе все формы биомассы требуют значительных площадей земли или воды для роста растений.

Как сравниваются различные земельные участки?

Если предположить, что электростанция, работающая на биотопливе, имеет электрическую мощность 10 ГВтч, то при надлежащей урожайности и эффективности преобразования, площадь энергетических культур, необходимых для работы этой электростанции, будет в диапазоне 600-900 Га (6-9 км²).

Для небольшой ветряной электростанции может потребоваться около 100 Га (включая необходимое пространственное разнесение).

Однако фотоэлектрические и ветровые системы, скорее всего, будут дополнять друг друга, чем конкурировать за одну и ту же землю, а фотоэлектрические батареи, кроме того, могут быть размещены в полузасушливых и пустынных районах с высоким потреблением солнечной энергии или на крышах домов в городской застройке.

Широко распространены опасения по поводу использования плодородной земли для производства биотоплива, а не для производства продуктов питания, и возможного сокращения биологического разнообразия за счет преобразования существующей растительности в топливные культуры.

Также необходимо учитывать влияние биоэнергии на почву. Почвы могут содержать большое количество органического вещества или гумуса, образующегося из остатков сельскохозяйственных культур, которые трудно разлагаются, и служить хранилищем большого количества углерода в течение длительного периода. При обработке же почвы этот органический материал подвергается воздействию воздуха, в последствии он начинает быстрее разлагаться, выделяя углекислый газ.

8 Энергетический баланс биоэнергетики

Коэффициент использования энергии топлива (fuel energy ratio — FER) — это отношение выхода энергии из конечного биотоплива к общему количеству энергии ископаемого топлива, затраченной для производства этого биотоплива, включая энергию, которая была использована для изготовления оборудования. Там, где соотношение меньше единицы, для производства биотоплива используется больше энергии, чем можно из него получить.

Древесные энергетические культуры показывают хорошие результаты, с соотношением FER от 10:1 до 20:1 по тепловой мощности, а вот биодизельное топливо может достигать только 3:1. Этанол из зерна может едва достигать соотношения чуть более 1:1, хотя оценки этого расходятся.

Таблица 2 Диапазон коэффициентов использования энергии топлива для отдельных биоэнергетических систем, представленных в литературе до 2016 года

Коэффициент топливной энергии (FER)	Самое низкое значение	Самое высокое значение
Спирт из древесной целлюлозы (обобщенный)	0,75	1,24
Просо (сжигание)	0,44	4,43
Спирт из кукурузы	0,9	1,14
Мискантус (корневище в гранулах для сжигания)	1,77	9,23

Энергетические коэффициенты могут быть улучшены за счет правильного проектирования систем производства и переработки, для того, чтобы энергия не тратилась впустую. Побочные продукты, такие как солома или жмых, связанные с биотопливом, также могут быть использованы для замены ископаемого топлива при выработке тепла для соответствующих процессов.

9 Стоимость биоэнергии

Для большинства систем возобновляемой энергетики начальные капитальные затраты являются основным компонентом стоимости энергии. Однако в биоэнергетических системах, в отличие от многих других технологий использования возобновляемых источников энергии, может быть весьма значительной также стоимость топлива (как составляющей полной стоимости выработки электроэнергии). Энергетические культуры, например, необходимо сажать, удобрять, защищать от сорняков и вредителей, собирать и транспортировать.

С другой стороны, EfW может иметь незначительные затраты на топливо при экономии на платежах за утилизацию отходов.

Таблица 3 Предполагаемые затраты на биотопливо и затраты на ископаемое топливо (цены в центах США за литр)

Тип топлива	2006 год (цена, центов/литр)		2030 год (цена, центов/литр)
	Оптимистичный прогноз	Пессимистичный прогноз	Оптимистичный прогноз	Пессимистичный прогноз
Бензин без учета налога	45	60
Бензин с учетом налога (Европа)	150	200
Бензин с учетом налога (США)	80	80
Этанол из сахарного тростника	25	50	25	35
Этанол из кукурузы	60	80	35	55
Этанол из сахарной свеклы	60	80	40	60
Этанол из пшеницы	70	95	45	65
Этанол из лигноцеллюлозы	80	110	25	65
Биодизельное топливо из животных жиров	40	55	49	50
Биодизельное топливо из масличных культур	70	100	40	75

В 2008 году в Великобритании провели оценки текущих и возможных будущих затрат на ряд видов биотоплива. Этанол из сахарного тростника является самым дешевым биотопливом, второе место занимает биодизель из излишков животных жиров. Данные показали, что этанол из лигноцеллюлозы в конечном итоге (примерно к 2030 году) будет сопоставим по стоимости с этанолом из сахарного тростника.

С тех пор прогресс в достижении паритета между затратами на ископаемое топливо и биотопливо в транспортной сфере замедлился и даже повернулся вспять, поскольку цены на сырую нефть отступили от исторических максимумов 2008 и 2011-2014 годов, а стоимость биотоплива, чувствительная к ценам на сырье, скорее увеличилась, чем снизилась. Хотя некоторые виды топлива в определенных регионах, такие как этанол из сахарного тростника в Бразилии, являются конкурентоспособными, ожидается, что в обозримом будущем потребуются стимулы в виде финансовых вложений.

Наконец, рассмотрим перспективы биоэнергетики.

10 Будущее биоэнергетики

Биоэнергетика является крупнейшим в мире источником возобновляемой энергии и четвертым по значимости источником энергии в целом, обеспечивая в общей сложности 59,2 ЭДж (Эксаджоулей — 59,2×10¹⁸ Дж) или 10,3% мировой энергии в 2014 году. Более 90% биоэнергии используется для отопления.

Прогнозы Международного энергетического агентства (МЭА) предусматривают ограниченный рост использования возобновляемых источников тепла (с 9% в 2015 году до 15% в 2040 году), а также биотоплива в транспорте (с 3% в 2015 году до 8% в 2040 году), при сохранении 2%-ной доли производства электроэнергии на расширяющемся рынке.

Ряд исследований показывают, что рост биоэнергетики представляется возможным с примерно 250 ПДж (Петаджоулей — 25×10¹⁶ Дж) в год до, вероятно, 600 ПДж к 2030 году. Как предполагается, наибольший потенциал для увеличения производства к 2030 году имеют два источника — это отходы и многолетние энергетические культуры, такие как SRF/SRC.

В развивающихся странах будущий спрос на энергию из биомассы, вероятно, будет определяться главным образом двумя факторами:

рост общего спроса на энергию из-за увеличения численности населения;

сокращение спроса на традиционные формы биомассы из-за перехода к более «современным» формам.

Большинство прогнозов предполагает, что потребление биомассы продолжит расти в течение следующих нескольких десятилетий, но более низкими темпами, чем возобновляемые источники энергии в целом. Тем не менее, традиционная биомасса еще долгое время будет оставаться единственным бытовым топливом для значительной части населения мира, более трети которого используют твердую биомассу для приготовления пищи. Поэтому можно смело утверждать, что сегодня усовершенствование традиционных дровяных и угольных печей должно быть самой важной технической целью в области биоэнергетики: повышение безопасности, сокращение вредных выбросов и сокращение затрат для некоторых беднейших людей в мире.

Самый оптимистичный недавний прогноз будущего вклада биоэнергетики предполагает более 1500 ЭДж в год, что намного превышает общую выработку мировой энергии. Более скромная широко принятая цифра может составлять порядка 100-200 ЭДж биоэнергии в год.

По материалам: Могут ли возобновляемые источники энергии питать мир? Открытый университет

---