При использовании альтернативных источников энергии, а именно биомассы, используют термохимическое преобразование биомассы при высоких температурах:
– прямое сжигание для производства тепла;
– пиролиз для получения газа, пиролитических жидкостей и других веществ;
– газификация для производства газов с низкой промежуточной теплотворной способностью (получаемый газ может подвергаться процессу непосредственного сжижения для получения аммиака, метилового спирта или преобразовываться в синтетический природный газ);
– сжижение для получения тяжелой топливной нефти или бензина.
Биотехнологическая конверсия биомассы в топливо с получением низкоатомных спиртов, жирных кислот, биогаза.
Большинство исследований по созданию моторного топлива из биомассы направлено на получение этанола из сахарного тростника, зерна и сахарной свеклы, а также рапсового метилового эфира из семян рапса. При урожайности семян рапса 3 т/га можно получить 1 т моторного топлива и 2 т высококачественных кормов. Свойства моторного топлива, получаемого из семян рапса, близки к свойствам дизельного топлива, однако вредные выбросы при использовании биотоплива значительно снижены. В Чехии производится 700000 т биодизельного топлива в год. Как показывает опыт Чехии и Германии, коммерциализация этой технологии при современных ценах на нефть может быть обеспечена только с помощью государственных субсидий. В Бразилии большое количество биотоплива перерабатывается в жидкое горючее (этанол) для автомобильных двигателей.
По данным Р. Вильямса из университета г. Принстон (США), возможные размеры получения энергии с одного гектара составляют (ГДж/га): для рапса – 50, для пшеницы – 70, для сахарной свеклы – 135, для сахарного тростника – 105; для этанола, полученного путем гидролиза древесины – 115, для этанола, полученного путем термохимической газификации древесины – 160, для водорода, полученного из древесины путем газификации – 205.
Все большее распространение в энергетике находит термохимическое преобразование биомассы, в частности газификация – сжигание биомассы при температуре 800-1500°С в присутствии воздуха или кислорода и воды с получением синтез-газа или генераторного газа с теплотой сгорания от 10500 до 16700 кДж/м3 (при нормальных условиях), состоящего из угарного газа, водорода и примесей метана и других углеводородов. Газогенераторы, объединенные в один энергетический комплекс с водяными котлами или дизель-генераторами, используются для получения тепловой и электрической энергии. Проведенные исследования и имевшийся в России еще в 1930-1940-х гг. опыт строительства газогенераторных установок позволили создать к настоящему времени газогенераторы нового поколения с повышенным КПД и тепловой мощностью 100, 200, 600, 3000, 5000 кВт. По техническим характеристикам созданные газогенераторы отвечают современному мировому уровню. Современные паротурбинные электростанции, использующие биомассу в виде древесины, растительных отходов, топливных брикетов, имеют КПД 20-25%. В США мощность таких электростанций уже достигла 8000 МВт. Параметры подобных электростанций на биомассе могут составлять от нескольких десятков киловатт для фермерского хозяйства до 100 МВт для промышленных целей.
В настоящее время созданию плантаций энергетических лесов большое внимание уделяют многие европейские страны – Великобритания, Франция, Германия и другие. В стадии опытно-промышленной эксплуатации находятся электростанции, для которых организовано выращивание энергетических лесов, то есть работающие на сжигании 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 полученного генераторного газа. Повышенный интерес к созданию таких плантаций вызван не только получением альтернативного источника энергии, но и возможностью переориентации крестьянских хозяйств с выращивания избыточной сельскохозяйственной продукции на эффективное использование земель в других целях. В настоящее время для этих целей испытано около 20 различных видов растений – древесных, кустарниковых и травянистых, в том числе таких как кукуруза и сахарный тростник. В качестве энергетического сырья в России рекомендуется использовать бодяк и коровяк, которые крайне неприхотливы к местам обитания и весьма ценны в энергетическом плане, так как содержат в своем составе 7,6-9,6% от веса пиролитических масел.
Для создания плантаций энергетических лесов в умеренной климатической зоне наиболее перспективны разновидности быстрорастущих сортов тополя (волосистоплодного и канадского) и ивы (корзиночной и козьей), а в южной части страны – акации и эвкалипта. Посадка энергетических плантаций ведется черенками или саженцами квадратно-гнездовым способом или в шахматном порядке с различной шириной междурядий (от 0,8 до 2 м). Для тополя плотность посадок обычно составляет 3-5 тыс. экземпляров на 1 га, однако общих рекомендаций пока не выработано. Период ротации составляет 6-7 лет. Уход за плантацией заключается в бороновании междурядий, внесении удобрений и орошении в засушливые периоды. Плантации могут быть монокультурными и комбинированными. Последние заслуживают особого внимания, поскольку способствуют диверсификации посевов и посадок различных культур, что должно повысить устойчивость к заболеваниям и вредителям, тем самым снижая потребность в ядохимикатах. Кроме того, подобные плантации рациональнее используют поступающую солнечную энергию для формирования биомассы.
Принцип комбинированных посевов и посадок различных культур на одном участке хорошо известен в тропиках, где так называемые «огороды» дают урожаи различных культур на протяжении нескольких лет подряд без применения удобрений и ядохимикатов. Различные варианты комбинированных посевов и посадок разнообразных культур, включая энергетические, уже испытаны в одном из графств Великобритании. В посадках используют тополь и ячмень в междурядьях либо тополь, ясень, ольху с подсолнечником и люпином в междурядьях или горохом полевым, ячменем, клевером, зелеными культурами и т.д. Пример комбинированного использования энергетических лесов известен в Греции, где на плантациях шелковицы выкармливают шелковичного червя. Зимой годовой прирост ветвей обрезают и используют как биомассу. На европейской территории России, где до 80% электроэнергии вырабатывается на ТЭЦ, многие из которых расположены в лесных районах, безусловно, имеются возможности для создания плантаций энергетических лесов либо частичного использования местных лесных ресурсов (отходы заготовки и переработки древесины).
Количество энергии, которое можно получить с энергетической плантации при урожайности 15 т сухой биомассы с гектара в год (теплотворная способность 15 Мдж/кг), составляет 225 ГДж/га. При КПД газотурбинной электростанции 40% один гектар энергетической плантации может обеспечить экологически чистым топливом производство 252 МВт-ч электроэнергии в год. В настоящее время рассматриваются различные схемы использования энергетических лесов с короткими севооборотами (как правило, предлагаются севообороты с шестилетним циклом). При этом энергоотдача (отношение количества энергии, которое получают от системы, к энергетическим затратам на ее создание и эксплуатацию, включая все косвенные расходы) таких энергетических плантаций колеблется между 3 и 4, что оказывается вполне приемлемой величиной, если учесть, что энергоотдача для тепловых станций, работающих на угле, составляет 4-5 единиц.
К числу основных промышленных отходов относятся тепловые выбросы в атмосферу и воду из теплоэнергетических установок, печей, систем отопления, охлаждения, вентиляции, кондиционирования воздуха и т.д. С одной стороны, они являются источником вторичных энергоресурсов, с другой – отрицательно влияют на атмосферные процессы и климат регионов, изменяют биоценоз водоемов и т.п. Современные электростанции, работающие на органическом топливе, имеют КПД не выше 40%. Примерно 10% тепловой энергии отводится с уходящими газами и около 50% рассеивается с охлаждающей водой. Для промышленных предприятий такие тепловые отходы не представляют интереса. Основными потребителями низкопотенциальных вторичных энергоресурсов могут быть отрасли сельскохозяйственного производства, в частности тепличные хозяйства, которые могут использоваться по прямому назначению для выращивания продуктов растениеводства и производства микроводорослей. Расчеты показывают выгодность частичной замены градирен водоемом-охладителем, на поверхности которого можно располагать культиваторы с микроводорослями. В средних широтах водоросли можно выращивать в этих условиях в течение летнего сезона (с мая по сентябрь). А в случае выращивания микроводорослей в тепличных комплексах сбросное тепло ТЭЦ способно покрыть до 77% потребностей в тепле, необходимом для поддержания оптимального микроклимата. При выращивании биомассы спирулины в теплицах в климатических условиях умеренного пояса требуется для стандартной плантации площадью 10000 м2 с производительностью 13 т сухой биомассы в год около 5000 Гкал тепловой энергии и 540 тыс. кВт-ч электроэнергии. В случае использования сбросного тепла АЭС или ТЭС достигается удешевление производства по крайней мере на 30%. Для промышленного культивирования биомассы спирулины в условиях России проведены эксперименты по оптимизации питательных сред с целью удешевления производства и одновременного поддержания необходимого биохимического состава биомассы. Определены виды азотных и комплексных удобрений, дающих устойчивую урожайность и сохраняющих высокое качество биомассы. Изучалась возможность культивирования биомассы микроводорослей на остатках метанового сбраживания (шламе) отходов животноводства, что позволяло обеспечить замкнутость системы «Биосоляр» по основным биогенным элементам (азоту, фосфору, калию, магнию, железу, микроэлементам). Известен также опыт выращивания микроводоросли спирулины с использованием отходов животноводства, что позволяет удешевить процесс производства и облегчить экологическую нагрузку на территории.
Микроводоросли могут быть использованы как эффективный поглотитель тяжелых металлов из жидкой среды. В этой области имеется значительный опыт выращивания спирулины на промышленных и муниципальных сточных водах. Поскольку АЭС мощностью 1 ГВт требует для своего охлаждения водоем площадью 30 км2, при размещении на его поверхности плантации микроводорослей со средней урожайностью 10-20 г/м2 сухого вещества в сутки можно получать около 0.1 млн. т сухой биомассы в год. Часть радионуклидов сбросных вод АЭС (10Со, 134Cs, 137Cs, 90Sr и др.) может быть сконцентрирована в биомассе спирулины. При выделении метана радиоактивные вещества, накопленные водорослями, остаются в отходах метантенков и исключаются из биологических циклов. Отходы метантенков могут быть направлены на захоронение или использованы для получения изотопов и микроэлементов. Таким образом возможно комплексно решать природоохранные вопросы и проблему повышения эффективности АЭС.
Предлагаемая система культивирования микроводорослей может быть интегрирована в энергобиологические комплексы, уже работающие на энергетическом потенциале сбросных теплых вод. Такой комплекс был создан в начале 1990-х гг. на Курской АЭС ВНИИ «Атомэнергопроект». В систему входили блоки открытого обогреваемого грунта, рыбохозяйственный, тепличный, биологической мелиорации водоема-охладителя и блок метаногенеза, работающий на отходах данного комплексного производства. «Биосоляр» может обеспечивать подобный энергобиологический комплекс кормовыми добавками (как для рыбохозяйственного блока, так и для сельскохозяйственных животных), давать биомассу для производства биологически активных добавок к пище и переработки в блоке метаногенеза, обеспечивать дополнительное количество удобрений и биостимуляторов для растений в виде шлама.
Автор статьи: ст. гр БТ «УГХТУ » Мельников М.