XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

ЭНЕРГИЯ БИОМАССЫ

Биомасса – термин, объединяющий все органические вещества растительного и животного происхождения. Биомасса делится на первичную и вторичную – отходы. В свою очередь, отходы также делятся на первичные – отходы при переработке первичной биомассы и вторичные – продукты физиологического обмена животных и человека.

Первичная (растительная) биомасса используется человечеством с незапамятных времен — со времени овладения огнем. Растительная биомасса (фитомасса) образуется в результате фотосинтеза в виде полимеров, содержащих в основном углерод (C), водород (H) и кислород (O). Кроме того, в фитомассе в малых концентрациях присутствуют фосфор, азот, калий, а также следы многих других элементов.

С энергетической точки зрения биомассу можно рассматривать как аккумулированную солнечную энергию. Энергетическое использование биомассы предполагает либо непосредственное сжигание, либо производство промежуточных энергоносителей: твердых, газообразных или жидких биотоплив.

Процесс фотосинтеза может быть в общем виде представлен следующей реакцией:

CO₂ +H₂O+солнечный свет→CH₂O+O₂,

где CH₂O — обобщенная формула для углеводов (сахар, крахмал, целлюлоза). Энергетическое использование биомассы в конечном счете определяется реакцией

CH₂O+O₂ →CO₂ +H₂O+тепло.

Биомасса обладает рядом существенных преимуществ как ВИЭ. К ним можно отнести:

распространенность и доступность;

всесезонность;

возможность получения различных конечных продуктов (кроме традиционного сжигания с получением электроэнергии и тепла можно получать синтез-газ, бионефть, этанол, биогаз, биоводород);

снижение антропогенной нагрузки на окружающую природную среду. В атмосферу выделяется при использовании биомассы столько же диоксида углерода, сколько его поглощается при росте биомассы. Кроме того, в отличие от органических топлив, биомасса не приводит к выбросу в атмосферу таких загрязняющих веществ, как тяжелые металлы, оксид углерода, оксиды серы.

Биомасса как источник энергии играет существенную роль в мировом энергетическом балансе. Сегодня вклад биомассы в мировой энергетический баланс оценивается в 12–13%, хотя надежный учет некоммерческого использования дров затруднен.

Ежегодно в мире образуется около 220 млрд т биомассы по сухому веществу, что по теплотворности эквивалентно около 4000 ЭДж. Для сравнения общее годовое потребление энергии в мире составляет около 430 ЭДж.

Важным и достаточно большим источником биомассы являются твердые бытовые отходы (ТБО). По оценкам средний городской житель производит 300–400 кг ТБО в год. При средней теплотворности ТБО 5–6 ГДж/т это означает, что в городе с населением в 1 млн человек за счет ТБО можно получить 2–3 ПДж/год энергии.

В основном отходы сжигаются в энергетических установках сравнительно небольшого масштаба либо самостоятельно, либо в сочетании с углем. Непосредственное сжигание отходов в промышленных топках затруднено из-за малой объемной плотности энергии. Поэтому в последнее время отходы перед сжиганием брикетируют или превращают в так называемые пеллеты. Эта последняя технология получила особенно большое распространение. Например, в США годовой объем производства пеллет превышает 0,7 млн т, а их энергетический эквивалент составляет около 12 ПДж.

Для производства пеллет биомасса вначале измельчается до размера частиц порядка 3 мм и высушивается. Затем эта масса под высоким давлением выдавливается с помощью винтового экструдера. В результате образуются твердые цилиндрики с длиной до 10–15 мм и диаметром около 5 мм, имеющие теплоту сгорания 5 кВт·ч/кг. Поскольку процесс проводится при высоком давлении, масса разогревается и добавка связующих (в отличие от брикетирования) не требуется. Процесс требует заметных затрат электроэнергии — 50–100 кВт·ч/т пеллет, что приводит к удорожанию пеллет по сравнению с исходным сырьем на примерно 50 долл. США/т. Сегодня в США пеллеты продаются по цене около 6 $/ГДж и пользуются большим спросом.

Биоэнергетика в последние 10–15 лет стала самостоятельной отраслью энергетики. Во многих странах мира ее вклад в энергобаланс стран превышает суммарный вклад остальных ВИЭ.

Современная промышленная биоэнергетика представлена различными технологиями.

Термохимические технологии:

прямое сжигание — получение тепловой и электрической энергии;

производство пеллет — получение тепловой и электрической энергии, сингаза, водорода, жидких нефтеподобных углеводородов;

газификация — получение сингаза, водорода, тепловой и электрической энергии;

фест-пиролиз — получение жидких углеводородов;

синтез — получение метанола;

Биотехнология:

производство биоэтанола — энергоснабжение транспорта;

производство биодизельного топлива — энергоснабжение транспорта;

производство биоводорода — энергоснабжение транспорта, получение тепловой и электрической энергии;

производство биогаза — энергоснабжение транспорта, получение тепловой и электрической энергии.

В условиях России ведущее место займут современные высокорентабельные биогазовые технологии, разработанные отечественными учеными и специалистами. На втором по значимости месте будет производство пеллет и газификация — пиролиз, далее — получение этанола из отходов сахарного производства.

Для производства биогаза могут быть использованы все органические отходы АПК. Из отходов растениеводства можно получить до 135 млн т пеллет, конвертировать их в 133 млрд м³ синтез-газа, а из него, в свою очередь, произвести до 69 млрд м³ биоводорода.

В России ежегодно образуется около 60 млн т ТБО, 130 млн т отходов животноводства и птицеводства и 10 млн т осадков сточных вод. В основе биохимической переработки отходов животноводства и птицеводства лежит анаэробное сбраживание. В результате этого процесса органическая масса отходов определенными штаммами бактерий превращается в биогаз (до 70% метана и 30% диоксида углерода).

Растительная биомасса в виде отходов деревообработки и растениеводства может служить альтернативой ископаемому энергетическому сырью (уголь, нефть, газ) при производстве тепла и электроэнергии. Современные технологии конверсии растительной биомассы позволяют получать твердое, жидкое и газообразное углеводное топливо, которое в отличие от углеводородного имеет высокие показатели экологической безопасности и обеспечивает устойчивое развитие регионов, удаленных от месторождений ископаемого топливного сырья.

Пиролиз — термохимическая переработка органического вещества в бескислородной среде, который является наиболее универсальным технологическим методом производства биотоплива. С помощью этого метода можно в очень широких пределах управлять соотношением твердой (древесный уголь), жидкой (бионефть) и газообразной (пиролизный газ) фракций продуктов переработки растительного сырья, изменяя температуру и продолжительность процесса. Любая из этих фракций пригодна для комбинированного производства тепла и электроэнергии тем или иным известным способом, из которых наиболее традиционным является сжигание в паровых котлах с последующим преобразованием энергии пара в электричество в паровых турбинах.

Газовые турбины имеют самый высокий КПД, однако эффективно они используются при мощностях более 500 кВт(э). При меньших мощностях используются дизельные или бензиновые двигатели внутреннего сгорания, которые могут быть успешно адаптированы для работы на пиролизном топливе.

Автономные мини-ТЭС на биотопливе включают модуль пиролиза и дизель-генераторный агрегат. Основными элементами модуля пиролиза являются реактор, в котором органические компоненты исходного растительного сырья при нагреве разлагаются с образованием и переходом в паровую фазу более легких соединений, и конденсатор, в котором часть парообразных продуктов, охлаждаясь, переходит в жидкое состояние (бионефть). Несконденсировавшаяся часть продуктов образует пиролизный газ. Отношение массы жидкого продукта к массе газообразного может варьироваться от 0,1 до 5 в зависимости от температуры и продолжительности термохимического процесса. Кроме жидкой и газообразной фракций реактор производит некоторое количество твердого продукта, который по своим физико-химическим свойствам близок к древесному углю. Термохимический процесс является энергозатратным. Значительная часть энергии, подводимой к реактору извне, расходуется на нагрев и испарение влаги, содержащейся в растительной биомассе. Включение камеры предварительного удаления влаги в состав модуля пиролиза позволяет значительно снизить общие энергозатраты при производстве биотоплива.

Рис. 1. Схема мини-ТЭС: 1 — реактор пиролиза; 2 — конденсатор; 3 — фильтр тонкой очистки; 4 — бионефть; 5 — теплообменник; 6 — ДВС; 7 — растительное сырье; 8 — древесный уголь; 9 — дизельное топливо (15%); 10 — электроэнергия; 11 — холодная вода; 12 — горячая вода

Весь вырабатываемый модулем пиролиза газ через фильтр тонкой очистки подается в ДВС электрогенераторного агрегата. Бионефть собирается в емкость, откуда часть ее возвращается в модуль пиролиза для сжигания и поддержания требуемой температуры в реакторе. Тепло, выделившееся в конденсаторе, а также отработанных газов ДВС утилизируется в теплообменнике для производства горячей воды. При необходимости излишки бионефти также могут быть использованы в качестве печного топлива в системе теплоснабжения и обеспечения потребителей горячей водой. Древесный уголь может применяться в качестве как топлива, так и сырья для производства стали, адсорбционных фильтров и т.д.

Литература

1. Беззубцева М.М., Волков В.С. Нетрадиционная и возобновляемая энергетика: конспект лекций для обучающихся по направлению подготовки 35.04.06 «Агроинженерия», профиль «Энергетический менеджмент и инжиниринг энергосистем». — СПб.: СПбГАУ, 2016. — 127 с

2. Энергия биомассы // Алхасов, А. Б. Возобновляемая энергетика / А. Б. Алхасов . – 2– е изд., прераб. и доп. – М. : Физматлит, 2012. – С. 207 – 222.

3. Биомасса как источник углеводородного сырья // Денк, С. О. Возобновляемые источники энергии. На берегу энергетического океана / С. О. Денкс. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2008 – С. 204 – 232.

4. Рациональное использование биомассы // Сибикин, Ю. Д. Технология энергосбережения: учебник / Ю. Д. Скибин, М. Ю. Скибин. – М.: ФОРУМ : ИНФРА– М, 2006. – С. 214 – 223.