Биомасса

 

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЕМКОСТЬ 

 

 При рассмотрении энергетического  потенциала к биомассе относят  все формы материалов растительного  происхождения, которые могут  быть использованы для получения  энергии: древесину, травяные  и зерновые культуры, отходы лесного  хозяйства и животноводства и  т.д. Поскольку биомасса представляет  собой твердое топливо, ее можно  сравнивать с углем. Теплотворная  способность сухой биомассы составляет  около 14 МДж/кг. Аналогичное значение для каменного угля и лигнита составляет 30 МДж/кг и 10-20 МДж/кг (см. таблицу далее). В момент образования (сбора урожая) биомасса содержит большое количество воды, от 8 до 20% в пшеничной соломе, 30 - 60% в древесине, до 75 - 90% в навозе сельскохозяйственных животных и 95% в водном гиацинте. В противоположность этому, влажность каменного угля находится в диапазоне от 2 до 12%. Поэтому плотность энергии в биомассе на этапе возникновения ниже, чем у каменного угля. С другой стороны, биомасса имеет преимущества с точки зрения химического состава. Зольность биомассы значительно ниже, чем угля. Кроме того, в золе биомассы обычно не содержатся тяжелые металлы и другие загрязнители, поэтому она может вноситься в почву в качестве удобрения.

 

 Обычно биомассу ошибочно  причисляют к низкосортным видам  топлива, поэтому во многих  странах ее использование даже  не отражается в статистических  отчетах. Однако она обеспечивает  большую гибкость снабжения энергоносителями  ввиду большого количества видов  топлива, которые могут быть  из нее получены. Энергия биомассы  может использоваться для производства  тепловой и электрической энергии  посредством сжигания в современных  устройствах - от миниатюрных  домашних котлов до многомегаваттных электростанций, использующих газовые турбины. Системы, использующие биомассу в энергетических целях, обеспечивают экономическое развитие без увеличения парникового эффекта, поскольку биомасса является нейтральной по отношению к выбросам СО2 в атмосферу в случае, если ее производство и использование осуществляется разумным образом. Биомасса обладает другими щадящими экологическими свойствами (малой эмиссией серы и оксидов азота) и может способствовать реабилитации деградированных земель. Растет понимание того, что использование биомассы в больших коммерческих системах основано на устойчивых, аккумулированных ресурсах и отходах и может улучшить управление природными ресурсами в целом.

ПРЕИМУЩЕСТВА БИОМАССЫ КАК  ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ 

 

 Экономическое развитие  сельскохозяйственных районов как в развитых, так и развивающихся странах является одним из преимуществ использования биомассы. Увеличение доходов фермеров и диверсификация рынка, уменьшение аграрного перепроизводства и дополнительные денежные поступления, увеличение конкурентоспособности на международном рынке, общее оживление экономики в сельских районах, уменьшение негативного воздействия на окружающую среду - все это является важными факторами использования биомассы в качестве источника энергии. Новые финансовые поступления фермеров и сельского населения улучшают материальное положение сельских общин и могут приводить к дальнейшей активизации локальной экономики. Наконец, это означает замедление темпов миграции в города, что очень важно для многих регионов в мире.

 

 Увеличение рабочих  мест (для производства, выращивания  и утилизации биомассы) и промышленный  рост (развитие предприятий для  производства жидких топлив, другие  виды промышленности, энергетика) могут  быть огромными. Например, департамент  сельского хозяйства США оценил, что 17 тысяч рабочих мест создается  для производства каждого миллиона  галлонов этанола. В свою очередь,  исследовательский институт электрической  энергии оценил, что производство 5 квадриллионов Бте (Британская тепловая единица) электроэнергии на площади 50 миллионов акров увеличит доходы фермеров на 12 миллиардов долларов США ежегодно (США потребляет ежегодно 90 квадриллионов Бте). Обеспечение фермеров стабильным доходом создает новый рынок и усиливает локальную экономику, создавая циркуляцию денежных средств в локальных сообществах.

 

Улучшение использования  аграрных ресурсов часто предлагается в ЕС. Развитие альтернативного рынка  сельскохозяйственных продуктов приводит к более эффективному использованию  посевных площадей, которые недостаточно используются во многих странах ЕС. В 1991 году 128 миллионов га в ЕС использовалось для выращивания зерновых. Примерно 0.8 млн га были выведены из использования в рамках программы сокращения производства. Значительно большее количество земли планируется вывести из производства в будущем. Ясно, что переориентация части этих земель для непродуктовой утилизации (например, биомасса для производства энергии) помогла бы избежать нерационального использования аграрных ресурсов. Европейское сельское хозяйство основано на производстве ограниченного количества культур, в основном использующихся в качестве пищи для людей и животных, и многие из этих культур производятся с избытком. Падение цен привело к снижению и нестабильности доходов европейских фермеров. Выращивание энергетических культур может уменьшить перепроизводство. Такие культуры могут быть конкурентоспособны по отношению к выращиванию избыточных пищевых сортов растений.

 

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПРЕИМУЩЕСТВА

 

 Использование энергии  биомассы обладает многими уникальными  качествами, которые обеспечивают  его экологические преимущества. Оно может способствовать смягчению  проблемы изменения климата, уменьшить  количество кислотных дождей, эрозию  почвы, загрязнение водоемов и  нагрузку на полигоны ТБО, обеспечить  среду для существования диких  видов животных и помочь поддерживать  здоровые условия существования  лесов с помощью лучшего менеджмента.

ИЗМЕНЕНИЕ КЛИМАТА 

 

 Изменение климата  вызывает растущую озабоченность  в мире. Человеческая деятельность, особенно сжигание ископаемых  видов топлива, приводит к выбросу  сотен миллионов тонн так называемых парниковых газов (ПГ) в атмосферу. ПГ включают, например, такие газы, как двуокись углерода (CO2) и метан (CH4). Озабоченность связана с тем, что ПГ в атмосфере могут изменить климат Земли, что приведет к изменению биосферы, обеспечивающей жизнь на Земле. Технологии энергетического использования биомассы могут минимизировать этот эффект. И двуокись углерода, и метан представляют собой большую угрозу, однако CH4 в 20 раз более эффективен с точки зрения парникового эффекта, чем CO2 (хотя и обладает меньшим сроком жизни в атмосфере). Сбор метана, выделяющегося на полигонах ТБО, на станциях очистки сточных вод, в хранилищах навозных стоков уменьшает выбросы метана в атмосферу и позволяет использовать его энергию для производства электроэнергии или в двигателях транспортных средств в качестве топлива. Все растения, включая и специально выращиваемые на энергетических плантациях, накапливают углерод в процессе роста, уменьшая количество углерода в атмосфере. Другими словами, двуокись углерода, выделяющаяся в процессе сжигания биомассы, поглощается в процессе последующего роста растений, реализуя так называемый замкнутый углеродный цикл. В действительности, количество связанного углерода может быть большим выделяющегося при сжигании, потому что большинство растений является многолетними. В процессе заготовки они срезаются, а не выкорчевываются. Корни при этом остаются в земле, стабилизируя почву и регенерируя в процессе последующих сезонов.

 

КИСЛОТНЫЕ ДОЖДИ 

 

 Кислотные дожди вызываются  преимущественно попаданием в  атмосферу фосфора и оксидов  азота в процессе сжигания  топлива. Кислотные дожди негативно  воздействуют на человека и  дикую природу, в частности,  озера очень чувствительны к  ним. Поскольку биомасса не  содержит фосфора, ее сжигание  не приводит к образованию  кислотных дождей. Более того, биомасса  может быть легко смешана с  углем, что дает возможность  использовать "совместное сжигание". Под совместным сжиганием здесь  понимается использование биомассы  вместе с углем в традиционных  угольных котлах тепловых электростанций  или отопительных котельных. Это  очень простой способ уменьшения  эмиссии фосфора и, как следствие,  уменьшения количества кислотных  дождей.

 

ЭРОЗИЯ ПОЧВЫ И ЗАГРЯЗНЕНИЕ  ГРУНТОВЫХ ВОД 

 

 Растения могут уменьшать  загрязнение грунтовых вод различными  способами. Энергетические плантации  могут располагаться на непригодных  землях, затапливаемых территориях,  а также местах, разделяющих посевные  площади. Во всех случаях энергетические  культуры стабилизируют почву,  уменьшая эрозию. Они также уменьшают  потери питательных веществ, что  предохраняет водные системы.  Наличие растений может создавать  условия для жизни водных обитателей, например, различных видов рыб.  Поскольку обычно энергетические  культуры являются многолетними  и не сажаются каждый год,  машины реже посещают поля, уменьшая  уплотнение почвы и нарушение  ее структуры. Другим вариантом  уменьшения загрязнения воды  при использовании биомассы является  сбор метана при анаэробном  сбраживании в лагунах с навозными  стоками из ферм крупного рогатого  скота и птицы. Эти огромные  лагуны ответственны за загрязнение  многочисленных рек. Использование  анаэробного сбраживания позволяет  фермерам уменьшать неприятный  запах, использовать собранный  метан для производства энергии  и получать жидкие или полусухие  удобрения, которые могут использоваться  на месте или продаваться. 

 

 

ТОПЛИВО ИЗ БИОМАССЫ

 

 Наиболее распространенными  источниками биомассы являются  растения. Они использовались в  виде древесины, торфа или соломы  в течение тысячелетий. Сегодня  западный мир не так как  раньше смотрит на этот высокоэнергетический  вид топлива. Это произошло  из-за распространенного мнения, что использование угля, нефти  и электричества чище, более эффективно  и более соответствует высокому  уровню технологии. Однако это  впечатление не совсем верно.  Растения могут специально выращиваться  для энергетических целей или  могут быть изъяты из окружающей  среды. На плантациях обычно  используются те виды, которые  производят большое количество  биомассы за короткое время.  Это могут быть древесные виды  (как ива или эвкалипт) или другие быстрорастущие растения (например, сахарный тростник, кукуруза или соя).

 

ДРЕВЕСНЫЕ ОТХОДЫ

 

 Древесина добывается  на постоянной основе: в лесах  в процессе вырубки. Оценить  ежегодный прирост лесов на  Земле достаточно сложно. По одной  из приблизительных оценок он  составляет 12,5x109 м3/год с содержанием  энергии 182 ЭДж. Это соответствует 1,3 от общего потребления угля на планете. Среднегодовая добыча древесины в период 1985-1987г.г. составила 12,5x109 м3/год (эквивалент 40 ЭДж/год). Таким образом, часть прироста может быть дополнительно использована в энергетических целях в процессе ухода за лесами и, возможно, даже увеличения при этом их производительности.

 

 В процессе прореживания  лесных плантаций создается большое  количество древесных отходов.  Сегодня они зачастую остаются  гнить на месте. Это происходит  даже в странах, в которых  ощущается недостаток топлива.  Древесные отходы могут быть  собраны, высушены и использованы  в качестве топлива частными  и местными промышленными потребителями,  однако большой объем и влажность  делают их транспортировку экономически  нецелесообразной. В развивающихся  странах, широко использующих  древесный уголь в качестве  топлива, производство угля в  печах на месте образования  отходов может уменьшить расходы  на транспортировку. Механические  рубительные машины для производства древесной щепы (30-40 мм) были созданы в Европе и Северной Америке в течение последних 15 лет. Такая щепа может быть легко высушена и использована в специализированных котлах. Использование порубочных остатков для отопления и/или производства электроэнергии представляет собой растущий бизнес во многих странах. Американские энергоснабжающие компании имеют более 9000 МВт мощностей, работающих с использованием биомассы (эквивалент 9 атомных блоков). Большинство установок построено за последние 10 лет. В Австрии общая мощность домашних котлов и котлов централизованного теплоснабжения (ЦТ), сжигающих древесные отходы, кору и щепу, достигает 1250 МВт. Мощность большинства котлов ЦТ находится в диапазоне 1-2 МВт. Имеется несколько установок большей мощности (15 МВт) и большое количество малых когенерационных установок.

 

 Следующим источником  древесных отходов является обработка  деловой древесины. Сухие опилки  и другие отходы, возникающие  в процессе распиловки, представляют  собой качественное топливо. По  существующим оценкам, британская  мебельная промышленность поставляет 35000 тонн таких отходов в год  (третья часть от общего количества), обеспечивая 0,5 ПДж энергии для отопления и горячего водоснабжения, а также для получения пара. В Швеции, где биомасса уже сегодня обеспечивает около 15% первичной энергии, отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности дают 200 ПДж в год, в основном в качестве топлива для ТЭЦ.

 

ОТХОДЫ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА 

 

 Сельскохозяйственные  отходы представляют собой огромный  источник биомассы. Отходы растениеводства  и животноводства обеспечивают  значительное количество энергии,  уступающее только древесине,  которая является главным видом  топлива из биомассы на Земле.  Сельскохозяйственные отходы включают: отходы растительных культур,  например, солому, некондиционную продукцию  и излишки производства, а также  отходы животноводства в виде  навоза. В Индии в 1985 году в  качестве топлива было использовано 110 млн тонн навоза и растительных остатков, что близко к объему использования древесины - 133 млн тонн. В Китае количество сельскохозяйственных отходов в 2,2 раза превышает количество древесного топлива.

 

 Каждый год в мире  образуются миллионы тонн соломы. Более половины этого количества  не используется. Во многих странах  она сжигается на полях или  запахивается в землю. В некоторых  развитых странах экологическое  законодательство запрещает сжигание  соломы на полях. Это привлекло  внимание к соломе как к  потенциальному источнику энергии. 

 

 Энергетическое использование  растительных остатков вызывает  вопрос о том, какое количество  может быть использовано без  негативного воздействия на урожай. В соответствии с опытом развитых  стран, около 35% растительных остатков  может быть удалено без воздействия  на будущий урожай.

 

 Промышленные отходы, содержащие биомассу, также могут  быть использованы для производства  энергии. Например, из отходов  производства спирта можно получить  горючий газ. Другие полезные  виды отходов включают отходы  пищевой и текстильной промышленности.

 

БЫСТРОРАСТУЩИЕ РАСТЕНИЯ

 

 

Биомасса может специально выращиваться на энергетических плантациях в виде деревьев или других видов  растений, например, травы (сорго, сахарный тростник). Все эти виды растений могут быть использованы в качестве топлива. Основным преимуществом при  этом является короткий период выращивания - обычно от трех до восьми лет. Для некоторых  видов трав урожай может собираться каждые 6-12 месяцев. В мире существует около 100 миллионов гектаров земли, используемой для плантаций древесных  культур.

 

Важными параметрами при  выборе видов растений для выращивания  на энергетических плантациях являются: наличие вида на местном рынке, простота разведения, устойчивость развития в неблагоприятных условиях и продуктивность, выраженная в производстве сухой биомассы на гектар в год (т/га/год). Продуктивность представляет собой параметр, определяющий способность растения использовать местные ресурсы. Это наиболее важный фактор при решении вопроса о производстве биомассы с целью оптимизировать ее производство на определенной территории в определенный период времени с наименьшими затратами. По этой причине высокопроизводительные виды биомассы предпочтительны для производства энергии.