Плантации горючего
Основные источники биомассы
Самым древним возобновляемым источником энергии является биомасса, производимая живой природой. В основе этого производства лежит механизм фотосинтеза растений, при помощи которого аккумулируется солнечная энергия, переходящая в химическую.
Фотосинтез является ключевым процессом жизни на Земле и может быть схематично представлен в виде следующей простейшей формулы:
В органическом материале с помощью реакций, протекающих под воздействием солнечного излучения, связываются также азот и сера, находящиеся в атмосфере и в самих растениях. По существующим оценкам, ежегодно растения в результате фотосинтеза аккумулируют около 2 1011 т углерода с общим энергосодержанием 3-1021 Дж, что в 10 раз превышает годовое потребление энергии человечеством и в 200 раз — энергосодержание потребляемой человеком пищи.
Основным источником биомассы бесспорно являются лес и сельскохозяйственные угодья. Только за год лес производит примерно 75-109 т биомассы с энергетическим содержанием в 3 раза превышающим мировое энергопотребление за год. Отходы же сельскохозяйственного производства (в виде соломы и навоза) ежегодно составляют 4,2-109 т. Если эти отходы превратить в метан и углекислоту, то только они дадут одну десятую часть энергии, ежегодно потребляемой на земле.
Леса в настоящее время покрывают примерно 30% суши, что составляет около 4·109 га, из которых более половины принадлежит тропическим, субтропическим и саванным районам, где КПД фотосинтеза максимален, а следовательно, и прирост и возобновление использованной биомассы также максимальны.
Другой важный источник биомассы — трава, произрастающая на территории 25·108 га. В ряде районов она служит основным продуктом питания для многих видов диких и домашних животных. Отдельные быстро растущие травы могут стать источником энергии.
Практически все виды сельскохозяйственных растений следует рассматривать как источники энергии. Однако в настоящее время в этом качестве используются прежде всего сахарный тростник, сладкое сорго, маниока, а также отходы сельского хозяйства и пищевой промышленности. Количество отходов сельскохозяйственных культур при их производстве зависит от вида возделываемых растений. Например, от люцерны не остается практически никаких отходов, тогда как от пшеницы с 1 га пашни обычно получают более 6 т соломы, которая представляет собой высококалорийный источник энергии.
Хлебные злаки — самые большие источники сельскохозяйственных отходов, имеющих огромное энергетическое значение. Так, в конце 70-х годов после уборки урожаев только пшеницы, сорго и проса во всем мире оставалось более 1700 млн т соломы, большая часть которой не использовалась.
Сахарная промышленность является другим крупным «производителем» биоотходов. Только от переработки сахарного тростника ежегодно получается около 50 млн т обрезков и более 60 млн т отжимок. На базе этих отходов можно производить различные виды топлива: синтетические нефть и газ, биогаз и спирты, которые заменят нефтепродукты и природный газ в различных энергетических установках. До настоящего времени отходы сельского хозяйства и агропромышленности не находили должного энергетического применения. Согласно имеющимся оценкам общее мировое использование этих отходов в качестве топлива не превышает 10 млн тут/год, что составляет около 5% их общего энергетического потенциала.
Воды морей, океанов и внутренних водоемов также являются неиссякаемыми производителями биомассы. Это еще один, не менее перспективный источник энергии. С недавнего времени специалисты уделяют ему все больше внимания. Поскольку до 9% веса морских растений составляет вода, традиционное применение их, например сжигание для получения тепла, затруднено. Поэтому в настоящее время они являются сырьем для получения топлива через ферментационные процессы.
Определенное значение для энергетического производства могут иметь п экскременты животных. Их ежегодный объем, используемый в мире в целях получения энергии, оценивается примерно в 150 млн т.
Отходы промышленной деятельности, а также городские отходы содержат в себе большое количество органических компонентов (бумага, полимерные упаковочные материалы, пищевые отходы), которые могут быть применены для получения энергии. Специалисты подсчитали, что в городе с населением 500 тыс. человек ежегодно образуется более 150 тыс. т мусора, а энергия, выделяемая при его сжигании, может па 10% удовлетворить энергетические потребности такого города.
Городские канализационные стоки также имеют определенный энергетический потенциал. Путем биогазификационных процессов из них можно получить метан — ценный энергоноситель.
Использование биомассы для производства энергии
Несмотря на то что применение биомассы в энергетике изучается немногим более двух десятилетий, в настоящее время разработаны уже достаточно надежные технологии.
Какими же способами осуществляется «энергетическая» переработка всевозможных видов биомассы? Для того чтобы ответить на этот вопрос, представляется целесообразным подразделить все виды имеющейся на нашей планете биомассы па следующие основные группы: биомасса неживотного происхождения; отходы животноводства; водная биомасса; физиологические отходы человека; промышленные и городские отходы органического происхождения.
Самую большую группу составляет биомасса неживотного происхождения, которая находит наиболее широкое применение при получении энергии и энергоносителей. Опа употребляется для прямого производства: тепла через сжигание в различных топочных устройствах; угля путем сухой перегонки; спиртов с использованием процессов гидролиза, ферментации и сухой перегонки; синтетических нефти и газа с помощью процессов гидрогенизации и газификации, а также биогаза в условиях анаэробного разложения.
Отходы животноводства главным образом перерабатываются в метан, а также в высококачественные удобрения через анаэробное разложение. Водная биомасса представляет исключительный интерес для получения метана и спиртов с применением вышеупомянутых процессов. С анаэробным разложением физиологические отходы человека, так же как и отходы животноводства, можно превращать в метан и органические удобрения.
Более широкий спектр энергетического применения имеют органические отходы промышленности и коммунальных хозяйств городов, сжигая которые можно получать тепло, а через уже упомянутые выше процессы — биогаз, синтетические нефть и газ.
«Энергетические» продукты переработки биомассы могут использоваться в обычных энергетических установках, выступая в качестве традиционных топлив, а спирты — добавляться в определенных пропорциях к горючему, что дает существенную экономию горючего, полученного из природной нефти.
Древесина, древесный уголь и их использование
Пожалуй, самым распространенным видом биомассы неживотного происхождения является древесина. Это древнейшее топливо па земле, которое обогревало человека, давало ему энергию для приготовления пищи и освещения жилища. Древесина состоит в основном из целлюлозы, лигнина, смол и определенного количества влаги. Если сделать ранжировку основных энергетических элементов, находящихся в древесине, то окажется, что опа содержит примерно 50% углерода, 6% водорода и 44% кислорода. Теплотворная способность древесины варьирует от 14 до 17 кДж/г в зависимости от вида дерева.
На сегодня мировые запасы древесины оцениваются в 360-109 м3, что почти соответствует по энергетическому содержанию 175-109 тут. Однако ежегодное потребление древесины постоянно увеличивается и превышает ее естественный прирост. Так, в 1978 г. для различных нужд согласно официальным данным было использовано (2,0—4,8)·109 м3 древесины, причем около половины этой величины было потреблено в виде топлива и для производства древесного угля.
Специалисты приходят к выводу, что мировое потребление древесины как топлива к 2000 г. составит (4—5)-109 м3. Это значительное увеличение будет происходить за счет развивающихся стран, где древесина — основной (на 80%) источник энергии. Уже в настоящее время некоторые африканские страны, богатые лесами, испытывают недостаток древесины для топлива. Вырубка лесов на больших участках земли способствует также развитию эрозионных процессов почвы, что, в свою очередь, обусловливает наступление степей и пустынь. Однако можно замедлить развитие этих крайне нежелательных явлений. Для этого нужно прежде всего повысить эффективность процессов сжигания древесины в нагревательных и кухонных устройствах, что позволит значительно сократить объемы использования дерева в качестве топлива.
Древесный уголь является одним из топливных продуктов, которые могут быть произведены из дерева. Он насчитывает многовековую историю своего использования и до появления кокса, получаемого из каменного угля, был основным источником энергии для металлургической промышленности.
Древесный уголь образуется при пиролизе дерева, т. е. когда древесина нагревается при отсутствии кислорода. В результате древесина разлагается на комплекс химических продуктов: газы, жидкие компоненты, а также остаточный углерод, который и образует древесный уголь. Традиционно древесный уголь производился в примитивных печах, где терялись ценные побочные компоненты. Современные пиролизные установки позволяют дополнительно к основному продукту извлекать масла, деготь и синтетический газ, имеющие большую ценность.
Существующие технологии дают 1 т древесного угля из 3,3 т дерева. По официальной статистике, ежегодно в мире производится около 5-106 т древесного угля. Однако если принять во внимание оценки экспертов в данной области, то годовое производство древесного угля составит примерно 50-106 т. Такое расхождение в оценках (в 10 раз) происходит из-за того, что официальная статистика очень часто не располагает данными по производству того или иного продукта для домашних нужд, особенно в сельских местностях развивающихся стран. В данном случае это древесный уголь.
По своей энергетической ценности древесный уголь имеет много преимуществ перед древесиной. Во-первых, его теплотворная способность в два с лишним раза выше, чем сухого дерева. Он более удобен для транспортировки. Если учесть, что КПД топочных установок, использующих уголь, в 5—6 раз выше КПД печей, работающих на древесине, то можно считать, что производство древесного угля экономически оправдано.
Древесный уголь играет важную роль и в промышленном производстве. Так, в Бразилии за счет древесного угля на 40% удовлетворяются нужды металлургической промышленности. В некоторых странах древесный уголь широко применяется для производства цемента.
Производство спиртов из биомассы
Для ряда стран, которые не располагают запасами нефти или газа, использование биомассы растений для получения заменителей горючего — один из реальных путей решения их энергетических проблем. Такими заменителями могут быть спирты. Основными из них являются метапол (СН3ОН) и этанол (С2Н5ОН).
Метапол ранее получался в небольших количествах как побочный продукт процесса производства древесного угля — из подсмольной воды от сухой перегонки древесины. Отсюда и происходит его название — «древесный спирт». Содержание метилового спирта в подсмольной воде не превышает 3%, а выход его в зависимости от породы древесины 3—6 кг па 1 м3 сухой древесины. После разработки синтетических методов получения метапола сухая перегонка древесины потеряла промышленное значение. Спирта выходило мало и низкого качества.
В настоящее время главным методом производства метилового спирта является каталитический синтез его из окиси углерода и водорода при температурах 300— 400° С и давлениях 100—1000 атм. Сырьем служат отходы коксового производства и природный газ. Интерес к древесному спирту особенно возрос в связи с решением проблем по использованию городских отходов и отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности. Существующие методы переработки древесины для получения метапола позволяют повысить его выход до 200 кг на 1 м3. Экономические оценки производства метилового спирта из древесины показывают, что стоимость его превышает стоимость обычного бензина на 60—70%. Причем эта разница в большой степени зависит от масштаба производства, и при его расширении метапол может быть гораздо дешевле. Учитывая все эти факторы, некоторые страны, например Канада, изучают вопрос о широкомасштабном получении метанола из древесины, древесных и других отходов в целях частичной замены нефтепродуктов в двигателях внутреннего сгорания.
Одно из достоинств метанола — его низкая температура горения. Это дает возможность, используя его в смеси с бензином, значительно уменьшить содержание окислов азота и серы в выхлопных газах автомобилей, которые, как известно, главным образом загрязняют окружающую среду.
Большое внимание сейчас уделяется производству этанола, особенно в странах с климатическими условиями, благоприятными для выращивания сахаросодержащей биомассы в больших количествах. Получение этанола возможно несколькими путями: через прямую ферментацию с использованием естественного сахара, содержащегося, например, в сахарном тростнике; через кислотный, или энзиматический, гидролиз целлюлозы с выходом сахара, который затем при помощи ферментации переводится в этанол; через перевод углеводородов в глюкозу и затем при помощи ферментации — в этанол.
До недавнего прошлого нефть была основным источником этанола (до 75%). Он получался путем химической модификации этилена. Переработка целлюлозы давала до 25% этилового спирта. Прямые ферментационные процессы использовались в ограниченных масштабах из-за дороговизны исходного сахаро- или крахмалосодержащих материалов, имеющих большую пищевую ценность.
Сейчас значительное количество этилового спирта производится при помощи гидролизной переработки целлюлозы с получением сахара в качестве промежуточного продукта. В связи с резким ростом цеп на нефть некоторые страны, зависящие в значительной степени от экспорта нефти и располагающие климатическими условиями для быстрого роста таких сахаро- или крахмалосодержащих растений, как сахарный тростник, сладкое сорго, маниока и др., начали ускоренное развитие производства этилового спирта. Его можно использовать как самостоятельное топливо для двигателей внутреннего сгорания или добавлять к бензину (20%-ная добавка спирта в бензин, наиболее эффективная с технико-экономической точки зрения, не требует модификации или дополнительной регулировки существующих двигателей). Особенно перспективен для производства этанола сахарный тростник, который является самой быстрорастущей сельскохозяйственной культурой с максимальным содержанием сахара. Ежегодная урожайность этой культуры достигает 60 т/га.
В состав сахарного тростника входят (в %): сахар (сахароза и гексозы) — 15, клетчатка — 12, влага — 73.
Ферментация сахаров происходит по следующим реакциям:
Крахмалосодержащее сырье используется для производства этанола посредством тех же реакций с предварительным переводом крахмала в глюкозу:
Наиболее перспективными районами земного шара для производства сахаросодержащей биомассы являются бассейн Амазонки, Экваториальная Африка, Юго-Восточная Азия.
В настоящее время существует несколько национальных программ по производству этанола, который предназначается для покрытия дефицита нефтяных продуктов. Наиболее крупная из них — бразильская. Опа начала осуществляться с 1975 г., когда в стране было произведено 60 тыс. м3 этилового спирта (причем треть этого количества использовалась в качестве 1%-ной добавки к бензину, потребляемому в автомобильных двигателях). Уже в 1980 г. в соответствии с этой программой было произведено 3,2·10 м3 спирта (добавка к автомобильному горючему составила 20%). В ближайшие пять-шесть лет производство спирта в Бразилии должно вырасти до (10—14)-10 м3, что позволит практически полностью обеспечить потребности автомобильного транспорта в горючем.
Предпринятый бразильскими специалистами экономический анализ перспектив использования этилового спирта показал, что его производство и потребление как топлива экономически выгодны.
Опыт Бразилии внимательно изучается в ряде стран Латинской Америки и Азин в целях возможного расширения производства этилового спирта для использования в качестве горючего на транспортных средствах.
