БИО

Современные проблемы энергетики могут быть решены только при рациональном использовании всех существующих на Земле и околоземном пространстве источников топлива и энергии. Одним из перспективных направлений альтернативной энергетики является биоэнергетика, в которой, как постоянно возобновляемый источник топлива, используется биомасса. Биоэнергетика - фундаментальное и прикладное направление, возникшее на границе современных биотехнологий, химической технологии и энергетики, изучающее и разрабатывающее пути биологической конверсии солнечной энергии в топливо и биомассу и биологическую и термохимическую трансформацию последней в топливо и энергию.


1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ БИОЭНЕРГЕТИКИ В РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

1.1. Цель и факторы развития биоэнергетики в России

Все причины, по которым развитые страны активно работают в области использования БИОЭНЕРГЕТИКИ, распространяются и на Россию. Однако существует специфика, вызванная существующим состоянием экономики и общества. В России длительный период времени к данному виду энергоресурса относились с пренебрежением, поскольку страна богата запасами нефти, газа и других энергоёмких ископаемых. В нынешнее время Россия осталась далеко позади от зарубежных соседей по использованию биогаза с целью получения тепловой и электроэнергии. Ведущей страной в этой области выделяется Швеция, где более 50 % тепловой энергии получают с помощью биотоплива. Ежегодно в России образуется примерно 60 млн. тонн отходов (в перерасчете на сухое вещество) животноводческого комплекса, объём бытовых и промышленных отходов, которые можно переработать, - более 165 млн. тонн. Чего стоят только запасы древесины, ежегодный прирост которой более 700 млн. куб. м., а отходы лесозаготовок и деревообрабатывающей промышленности в размере 60% от сырья на сегодняшний день просто сжигаются или закапываются. При переработке вышеуказанных отходов анаэробным сбраживанием, ежегодно в России можно получать более 70 млрд. кубометров биогаза, а по энергоемкости это соответствует около 35 млн. тонн ДТ или бензина. При сбраживании когенерируется не менее 144 тыс. ГВт/ч электроэнергии и не менее 1 млрд ГДж тепловой энергии, а также значительная масса почвенных удобрений. Работы по БИОЭНЕРГЕТИКЕ в России могут быть направлены на решение социальных проблем, снижение уровня безработицы, развитие малого бизнеса, повышение качества жизни населения, уровня образования и культуры. Важное значение имеет снижение экологической напряженности, существующей в ряде городов, в том числе в зонах отдыха за счет снижения вредных выбросов от энергетических установок. Решение проблемы состоит в использовании биомассы для производства доступного топлива и энергии: электрической и тепловой. Другой проблемой является обеспечение энергоснабжения удаленных районов, не подключенных к сетям энергосистем. В районы Крайнего Севера, Дальнего Востока и Сибири ежегодно завозится 6—8 млн. тонн жидкого топлива (дизельное топливо, мазут) и 20—25 млн. тонн твердого (уголь). В связи с увеличением транспортных расходов стоимость топлива удваивается и составляет, например, в Республике Тыва, Республике Алтай и на Камчатке >350 долл./тонну у. т. Централизованные системы энергоснабжения охватывают лишь 1/3 территории страны. Надежное энергообеспечение отдаленных районов сложная и дорогая для государства задача.

Основной проблемой на пути роста биоэнергетики в первую очередь является окупаемость капиталовложений на производство станций и перерабатывающих комплексов. Слабо приемлемая для этого рода деятельности законодательная база далеко не способствует развитию этой отрасли. Кроме всего прочего, недостатком стала низкая стоимость энергии, хотя в последнее время наблюдается ее рост и повышение до уровня западных стран. Хорошим стимулом для развития биоэнергетики стало бы наличие субсидий со стороны государства, например в виде льгот, при налогообложении данного вида деятельности. Однако этого в России пока еще нет, и это ставит под сомнение окупаемость проектов.

Цель развития биоэнергетики в России – развитие производства и рынка энергетического оборудования и технологий использования БИОЭНЕРГЕТИКИ для надежного автономного экологически чистого энергообеспечения потребителей за счет экологически чистых местных возобновляемых источников энергии в районах, не подключенных к сетям централизованного энергоснабжения, освоение эффективных технологий сетевого электро- и теплоснабжения на базе ВИЭ, расширение производства и использования новых видов топлив, получаемых из различных видов биомассы.

БИОЭНЕРГЕТИКА для России – это создание современных условий труда и быта для 30 млн. жителей сельской местности.

Развитие БИОЭНЕРГЕТИКИ означает:
 - обеспечение диверсификации топливно-энергетического баланса субъектов РФ за счет увеличения производства электрической и тепловой энергии на базе БИОЭНЕРГЕТИКИ и в конечном счете, повышение ее доли в федеральном балансе производства и потребления электрической и тепловой и первичной энергии страны;
  - повышение экологической безопасности в локальных территориях, т.е. снижение вредных выбросов от электрических и котельных установок в городах со сложной экологической обстановкой.

1.2. Потенциал биоэнергетики и биоэнергетические источники России

Ежегодный прирост биомассы на земле составляет 220 млрд. тонн, что позволяет запасать в виде энергии химических связей до 4х1021 Дж энергии. Ежегодное мировое коммерческое использование всей энергии составляет 3.9х1020 Дж, что в 10 раз меньше запасаемой энергии.

Энергетическое содержание производимых в мире сельскохозяйственных отходов составляет 93 х 1018Дж./год. Допуская, что только 25% их реально использовать, отходы могут обеспечить около 7% мировой энергии. Городские твердые отходы (твердые бытовые отходы, ТБО) также могут быть важным источником энергии. Если считать, что, в среднем, ТБО содержат 60-65% органических веществ растительного и животного происхождения, то по аналогии с фотосинтетической биомассой ежегодное содержание энергии в ТБО может составлять 4-6х1018 Дж.

Практически, все федеральные округа России располагают основными, возобновляемыми источниками энергии (энергия солнца, энергия ветра, малая гидроэнергетика, энергия биомассы, за исключением термальных вод), и имеют потенциально необходимые возможности для создания интегрированных энергетических комплексов для производства тепловой и электрической энергии и моторного топлива для полного обеспечения населения (быт и производство) любым видом топлива и энергии и решения всех социальных проблем сельского населения любого региона России. Эти источники по объему составляют примерно 30% от объема потребления топливно-энергетических ресурсов в России, составляющего 916 млн тонн у.т. в год , что создает благоприятные перспективы решения энергетических, социальных и экологических проблем в будущем. Неравномерность распределения возобновляемых источников энергии по регионам позволяет создавать энергетические кластеры с различной комбинацией возобновляемых источников.

Потенциальные объемы производства биотоплив из биомассы в России в ближайшие десятилетия могут составить в год около 1500 млн. тонн у.т./год, и не будут уступать объемам ежегодной добычи нефти, угля или природного газа (годовой энергобаланс России – более 1600 млн. тонн у.т.). Потенциальные энергетические возможности России в области БИОЭНЕРГЕТИКИ как и в случае ископаемых углеводородов превосходят таковые любой страны мира. При интенсивном развитии этой отрасли российской энергетики страна может стать крупнейшим экспортером отдельных видов БИОЭНЕРГЕТИКИ.

био11.jpg

Основными источниками российской энергетической биомассы являются:
  - Органические отходы агропромышленного комплекса с эненргосодержанием до 80 млн. т.у.т./год;
  - Органические отходы лесопромышленного комплекса (при условии использования современных технологий лесопроизводства и деревообработки) с энергосодержанием до 1 млрд. т.у.т./год; (весь лесной запас – 20 млрд. т.у.т.);
  - Отходы городов (сточные воды и твердые бытовые отходы);
  - Торф (всего -60 млрд. т.у.т. 10.7 млрд. т.у.т. промышленный фонд, 100 млн. т.у.т./год);
  - Энергетические плантации (минимум 270.9 млн. т.у.т./год, 19.5 млн. га - 20%, биогаз – 228.5 млн. т.у.т., этанол – 41.9 млн. т.у.т.);
  - Биогазификация остаточной нефти.
 

Оценка объемов органических отходов в АПК и ЛПК, проведенная Институтом энергетической стратегии, позволила установить, что универсальными для всех регионов России видами биотоплив являются пеллеты (гранулы, брикеты) и биогаз.

На рисунке приведена схема комбинированной энергетической технологии получения электрической и тепловой энергии при сжигании органических отходов птицефабрики с использованием природного газа (или каменного угля, или древесной щепы) для подсушивания сырья в течение года. Подобные системы являются самыми перспективными для серийного применения в России.

био1.jpg

1.2.1. Отходы агропромышленного комплекса России

Ежегодное производство отходов, генерируемых российским агропромышленным комплексом, составляет около 773 млн. т, (260 млн. т по сухому веществу): 350 млн. т (53 млн. т с.в.) – животноводство, 23 млн. т (5.75 млн. с.в.) – птицеводство, 220 млн. т (150 млн. т с.в.) – растениеводство, 30 млн. т (14 млн. т с.в.)- отходы перерабатывающей промышленности.

Мировой опыт свидетельствует о том, что более экономично перерабатывать отходы АПК централизованно, чтобы сократить транспортные плечи и снизить нерациональные экономические и энергетические (моторное топливо) затраты. И в рассматриваемом случае у современной России имеется блестящая возможность использовать заброшенные пашни под создание энергетических плантаций. Таких площадей около 40 млн. гектар. Но как показывают расчеты, при культивировании топинамбура для производства биогаза и этанола для моторного топлива для всего российского АПК необходимо всего около 3-х млн. га, для автопарка всего РФ – 15 млн. га. При культивировании сладкого сорго для автопарка АПК – до 1 млн. га для РФ – 15 млн. га, то есть намного меньше пустующих земель.

био2.jpg

Применяя процесс анаэробной переработки, можно получить около 66 млрд. м3 биогаза (эквивалентны 33 млрд. л бензина-дизтоплива или 110 млрд. кВт-ч электроэнергии и 1 млрд. ГДж тепла) и около 112 млн. т высококачественных гранулированных удобрений. При выполнении задач Доктрины продовольственной безопасности произойдет увеличение поголовья КРС, свиней и птицы, что приведет к резкому увеличению отходов до 1200 млн. тонн.

1.2.2. Отходы лесопромышленного комплекса России

Россия является мировым лидером по лесным ресурсам, обладая четвертой частью мировых запасов древесины, оцениваемых в 82 млрд. м3 или 41 млрд. т. На рисунке приведены потенциальные количественные данные по производству различных видов биотоплива: пеллет, этанола, син-газа, водорода и бутанола,- из отходов лесопроизводства и деревопереработки при применении современных технологий.

био3.jpg

1.2.3. Быстрорастущие деревья

В лесопромышленном комплексе при вырубке как деловой, так и неделовой древесины (используемой в биоэнергетике) для восстановления лесных массивов следует высаживать быстрорастущие деревья с небольшим сроком ротации, с тем, чтобы их можно было использовать в биоэнергетике.

Многолетние быстрорастущие кустарники и деревья можно также высаживать на запущенных землях вблизи сельских поселений и использовать в биоэнергетике в интересах жителей этих поселений. Выращиваются быстрорастущие культуры — эвкалипт, тополь, ива, и другие. Испытано около 20 различных видов растений — древесных, кустарниковых и травянистых, в том числе кукуруза и сахарный тростник. Каждые 4—7 лет деревья срезают и годовой урожай может составлять около 7 тонн/гектар. Собранная биомасса используется для производства тепловой и электрической энергии, может служить в качестве сырья для производства жидкого биотоплива.

В умеренной климатической зоне для энергетических лесов наиболее подходят разновидности быстрорастущих сортов тополя (волосистоплодного и канадского) и ивы (корзиночной и козьей), а в южной части России — акация и эвкалипт. Период ротации растений 6—7 лет. На одном гектаре земли высаживают до 3—5 тысяч тополей. Применяются комбинированные посадки — в междурядьях высаживаются сельскохозяйственные культуры.

1.2.4. Древесные и торфяные пеллеты

В настоящее время в России получило развитие производство древесных и торфяных пеллет. Их производство освоили на территории республик Коми и в Карелии, в Архангельской, Вологодской, Ленинградской, Псковской, Нижегородской, Новгородской, Тверской, Владимирской, Кировской, Костромской, Свердловской областях, в Красноярском и Хабаровском краях.

био4.jpg

Россия может стать крупным экспортером биотоплив, например, древесной щепы и пеллет для Европы и других стран: в РФ сосредоточена четвертая часть мировых запасов леса. Ежегодно в России вырубается только 130 млн куб. метров древесины, но этот показатель может быть увеличен до 550 млн куб. метров (или до 275 млн тонн). При этом отходы составят до 40%, или 370 млн куб. метров (185 млн тонн) с содержанием энергии до 2,29 Дж х 1018. Для изготовления пеллет можно использовать солому злаковых и крупяных культур, масса накопления которой ежегодно составляет 80-100 млн тонн. Даже при использовании только половины этой массы для производства пеллет можно получить за счет экспорта до 1,2 млрд евро. Однако для создания производственных мощностей и инфраструктуры нужны очень крупные инвестиции. Таким образом, потенциальные возможности от производства и экспорта пеллет в год для России могут составить 7,8 млрд евро. В Северо-Западном регионе России уже успешно функционируют отечественные компании, производящие пеллеты и экспортирующие их на Запад по цене $100 за тонну пеллет. Среди более чем 100 существующих заводов выделяются заводы-гиганты:
  - Производство древесных топливных гранул в Ленинградской области в пос. Советский – ОАО «Выборгская Целлюлоза» – с проектным объемом мощностью 1 млн. тонн древесных пеллет в год.
  - Запуск второго крупного пеллетного производства в Красноярском крае – Новоенисейский ЛХК мощностью 40 тысяч тонн гранул в год. Красноярский край становится лидером в области производства топливных гранул в России. В 2010 году завод «Енисей» экспортировал 120 тысяч тонн гранул в год.
  - «Лесозавод 25» в Архангельской области с производством 100 тыс. т в год.
  - Завод «Талион Терра», принадлежащий ООО «СТОД», мощностью 80 тыс. т в год в Тверской области, г.Торжок.
  - Пеллетный завод в Архангельской области, г. Няндом.

В производство топливных гранул также намерена инвестировать Госкорпорация «Ростехнологии». В некоторых регионах РФ разработаны программы, связанные с использованием древесного топлива (Архангельск, Вологда, Великий Новгород).

1.2.5. Жидкое биотопливо. Биодизель. Биоэтанол. 

В России сфера жидкого биотоплива развита слабо. Моторное биотопливо в России практически не используется. Тем не менее, за советский период был накоплен достаточный опыт производства моторных топлив из энергетических культур и отходов АПК и ЛПК – такими разработками занимались МГУ им. Ломоносова, ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-техно-логический институт рапса» Российской академии сельскохозяйственных наук и другие исследовательские лаборатории и институты.

Россия располагает мощностями, использующими гидролизные технологии, которые позволяют изготовлять до 0,2 млн тонн гидролизного спирта.. Другими видами сырья, обеспечивающими производство этанола в России, могут быть меласса (отходы сахарного производства), картофельный крахмал, сладкое сорго.

био5.jpg

Перспективы развития отечественного производства транспортного этанола с последующим его экспортом достаточно оптимистичны. Но основным сырьем для его изготовления в России должна стать древесина.

На сегодняшний день одним из наиболее распространѐнных источников биотоплива в России является рапс. Изготовление рапсового масла в промышленных масштабах в России началось только в 2007 г. В России не существует единой государственной программы развития биодизельного топлива, но создаются региональные программы, например Алтайская краевая целевая программа «Рапс — биодизель». В Липецкой области создана Ассоциация Производителей Рапсового Масла. Пензенская компания «Агробиотехнология» планирует создание производства мощностью 250 тыс. тонн в год. В Южном федеральном округе ана-логичный проект развивает компания «Русагропроект» (Волгоградская область).

1.2.6. Газообразное биотопливо

За российский период развития было реализовано несколько десятков небольших для индивидуальных хозяйств - биогазовых станций рядом российских компаний, среди которых ведущее место занимают профильные институты (в частности Институт электрификации сельского хозяйства) совместно с металлообрабатывающими предприятиями.

1.2.7. Электростанции на биомассе

Потенциальные запасы энергетической биомассы в России, достаточные для создания электростанций мощностью не менее 5 МВт. В таблице 5 представлены расчетные данные по количеству различных видов биомассы, необходимого для создания электростанции, мощностью не менее 5 МВт.

В России электростанции мощностью 5 МВт можно создавать при использовании древесины, торфа и куриного помета при их сжигании.

Мощность электростанции, работающей на твердых бытовых отходах (ТБО) составит около 60 тыс. МВт электроэнергии и 225 тыс. Гкал тепла в год. Мощность переработки ТБО — 180 тыс. т в год.

био4-1.jpg

Получение электрической энергии при сжигании биогаза, получаемого из разнообразных органических отходов сельскохозяйственного производства.

В соответствии с Всероссийской сельскохозяйственной переписью 2006г. Общее поголовье крупного рогатого скота по всем категориям хозяйств составляет 23.9 млн. голов, свиней – 17 млн. голов, что в год дает до 240 млн. тонн. Их полная переработка в биогаз позволит получить до 9.6 млрд. куб. м или 19.2 млрд кВт-час при к.п.д.33%. При использовании когенерационных установок выход электроэнергии будет выше и одновременно до 45% биогаза трансформируется в тепловую энергию.

Общая мощность электростанций составит до 2.2 тысяч мВт.

Для крупных хозяйств, которых насчитывается до 18.7 тысяч и имеющих до 114 млн. т/год выход биогаза составит 4.6 млрд. куб. м, и электроэнергии, соответственно, 9.2. млрд. кВт/год. Общая мощность электростанций составит более 1 тысячи мВт или 200 пятимеговатных станций. То есть, одна такая электростанция на 93 хозяйства. Такие электростанции следует создавать кустовые на несколько крупных хозяйств и дополнительно к отходам животноводства добавлять другие органические отходы сельскохозяйственного производства.

1.2.8. Торф – долгосрочный источник сырья для биотоплива в России

Запас торфа в России – 30.817 млрд. т с энергосодержанием 10.752 млрд. тонн у.т. Промышленный фонд – 18.5 млрд. т или 6.45 млрд. тонн у.т. При ежегодной добыче 300 млн. т (в 2 раза больше, чем СССР) этих запасов достаточно для добычи в течение 102 лет.

Из 300 млн. т/год (100 млн. тонн у.т .) можно получать до 100 млн. т/год пеллет, брикетов, или до 90 млн. т/год син-газа (до 900 млрд. куб. м/год), или до 450 млрд. куб. м/год биоводорода, или до 45 млн. т/год биоэтанола.

Основные запасы промышленного торфа находятся в северных и сибирских регионах, в которых отходы растениеводства незначительны: Центральный Федеральный округ – 2.18 млрд. т; Южный Федеральный округ- 0.00092 млрд. т; Поволжский Федеральный округ – 1.19 млрд. т, тогда как в Северо-Западном Федеральном округе – 8.31 млрд. т, в Уральском Федеральном Округе – 7.26 млрд. т, в Сибирском Федеральном Округе – 10.4 млрд. т, и в Дальневосточном Федеральном Округе – 1.47 млрд. т.

1.2.9. Остаточная нефть

Важным дополнительным источником жидкого топлива может стать остаточная нефть, которую можно добывать посредством использования биогазовых технологий.

В России уже полвека наблюдается негативная тенденция снижения проектной нефте-отдачи: по сравнению с пятидесятыми годами она уменьшилась вдвое. В недрах остается более 70% запасов нефти. С 1965 года нефтяники оставили под землей около 21.5 млрд тонн потенциально извлекаемых запасов, столько, сколько было добыто за всю историю нефтяной отрасли России. В Институте микробиологии им. Вернадского РАН под руководством академика РАН и директора Института Иванова М.В. разработана и успешно реализована промышленная технология добычи остаточной нефти методами биогазовых технологий.

1.2.10. Побочные продукты при развитии биоэнергетики

Особенность биоэнергетики в отличии от других видов ВИЭ состоит в том, она позволяет из различных видов биомассы и, в первую очередь, из многочисленных органических отходов растительного и животного происхождения наряду с топливом и энергией получать высокоэффективные органические вещества микробного происхождения, которые можно использовать в разных отраслях сельскохозяйственного производства: в растениеводстве – удобрения, в животноводстве- и в птицеводстве – кормовые дрожжи, кормовой препарат витамина В-12, белково-витаминные кормовые препараты, ступенчато выделяемые из метано-генного консорциума.

При производстве этанола методами биотехнологии независимо от исходного сырья кроме спирта-моторного топлива образуется еще два продукта- кормовые дрожжи и барда. На 1 куб. м этанола образуется до 12-14 куб. м барды с влажностью 92-94%.

Зерновую барду после брожения гидролизатов топинамбура и сладкого сорго можно выпаривать и высушивать и использовать как кормовую добавку.

Спиртовые барды из других видов сырья (мелассы, гидролизного сахара, и т.д.) , как показал многолетний опыт СССР, можно подвергать термофильному метановому брожению и одновременно с биогазом получать: кормовой препарат витамина В-12, ростстимуляторы для молочнокислых бактерий, применяемых в сыроделии, высокоэффективные органические удобрения. (рисунок 5). Как показал многолетний опыт СССР применение витамина В-12 в составе премиксов к комбикормам в животноводстве и птицеводстве повышает продуктивность, снижает расход кормов, сокращает сроки откорма, сохраняет молодняк. Потребность отечественного свиноводства и птицеводства в витамине В-12 составляет 1460 кг в год. К 2020 году поголовье нужно увеличить, как минимум, в 2 раза. И потребуется 2920 кг витамина В-12, или перерабатывать до 7300 тысяч куб. м барды в год, или задействовать 55 заводов трехтысячников, - 610 тысяч куб. м этанола в год.

Технологии применения кормовых добавок хорошо известны в российской зоотехнологии. Их следует или совершенствовать, или восстановить при условии восстановления их производств, как в случае витамина В-12.

1.3. Опыт развития биоэнергетики России

Современная российская биоэнергетика располагает целой серией высокотехнологичных биогазовых технологий, разработанных ранее в СССР:
  - Технология вертикального замещения поступающего сырья в метантенк – «классическая технология» (1961) (Ефремовский, Грозненский, Андрушевский, Даугавпилский цеха по производству КМБ-12; Курьяновская и Люберецкая станции аэрации г. Москвы). Разработчики: ИНБИ им. Баха АН СССР, Грозненский АБЗ, Институт бродильной промышленности, НИИПроект «Мосводоканал».
  - Технология двухстадийного метанового брожения (1962) (опытно-промышленные испытания Грозненский АБЗ) для любых видов сырья. Вдвое увеличивает выход метана. Разработчики: ИНБИ им. Баха АН СССР, Грозненский АБЗ.
  - Технология рециркуляции, до 8 раз сокращает время ферментации и до 8 раз увеличивает выход биогаза для сырья влажностью 96-98% (1965) (Грозненский АБЗ). Разработчики: Грозненский Институт автоматики, ИНБИ им. Баха АН СССР, Грозненский АБЗ.
  - Технология рециркуляции для переработки отходов птицеводства (1985) (промышленная станция на Октябрьской птицефабрике Глебовского ППО, Истринский район, Московской области). Разработчики: инженер Андрюхин Т.Я., Октябрьская птицефабрика.
  - Технология трехстадийной метангенерации для любых видов сырья с влажностью не более 85%. В 1.5 раза сокращает время ферментации, в 2 раза увеличивает выход биогаза и выход метана, в 1.8 раза увеличивает степень разложения исходного субстрата (1986) Разработчики: Институт микробиологии АН Арм. ССР, ИНБИ им. Баха АН СССР, ЗАО Центр «ЭКОРОС».
  - Технология с предварительным разделением фаз исходного сырья для переработки отходов животноводства и свиноводства с влажностью 97-98%. Сокращает сроки ферментации, увеличивает выход биогаза, сокращает рабочие объемы биореакторов-метантенков. (1989) (Биоэнергетическая станция на свинокомплексе на 24 тыс. голов в колхозе «Большевик» Крымской обл. УССР). Разработчики: ВИЭСХ и ПМК Нижнегорского района Крымской обл. по Межгосударственной программе «Биотехнология».)
  - Технология твердофазной метангенерации для переработки концентрированных осадков сточных вод с влажностью 60-80%. (1992) Разработчики: ИНБИ им. Баха АН СССР, Академия коммунального хозяйства им. К.Д. Памфилова.
  - Экспресс-Технология рециркуляционно-твердофазной термофильной метангенерации твердых бытовых отходов и твердых сельскохозяйственных отходов. (1986). Такая технология позволяет создать стационарные, экологически чистые и безотходные заводы по переработки ТБО за 15-20 суток вместо 30-60 лет. Полностью ликвидировать мусорные полигоны и получать черные и цветные металлы, строительные материалы, картон, стекло, газообразное топливо-биометан и биоудобрения. Технология может быть применена для обработки твердых сельскохозяйственных отходов(солома, стебли кукурузы и подсолнечника и т.д.). (Опытно-промышленные испытания на производственной базе ЗАО Центр «ЭКОРОС») Разработчики: ИНБИ им. Баха АН СССР, ЗАО Центр «ЭКОРОС».
  - Технология «upslow» для метангенерации супержидких (влажность не менее 98-99%) отхо-дов животноводства, пищевой, консервной, молочной, бумажной промышленности. В несколько раз увеличивается выход биогаза и метана на единицу рабочего объема (Свинокомплекс в Вологодской обл.). Разработчики: МГУ им. Ломоносова, ВИЭСХ и НИИПроект «Мосводоканал».

Успешная реализация перечисленных выше биогазовых технологий в промышленности и их оптимизация требует их отработки на модельных метантенках станций технологического тестирования.


2. НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ БИОЭНЕРГЕТИКИ В РОССИИ

Россия располагает необходимыми интеллектуальными возможностями (многочисленные НИИ, Университеты, КБ и отдельные научно-производственные компании) и машиностроительной производственной базой для активного применения и использования ВИЭ в России.

Для эффективного использования этой сырьевой базы и ее ежегодного воспроизводства ФГБУ «Российское энергетическое агентство» работает по следующим направлениям развития международного сотрудничества:
  1) Трансфер технологий ВИЭ с последующей локализацией производства, интеграцией с ведущими производителями оборудования и комплектующих, созданием научно-проектных центров определяющих развитие технологий, снятие лицензионных ограничений, экспорт продукции и сервисных услуг. С учѐтом динамики развития технологий, принятие решений о трансфере технологий должно быть принято в период не позднее 2011-2012 гг.
  2) Обмен информацией по системам диспетчеризации, модернизации электрических сетей, разработкам в области создания промышленных накопителей энергии с формированием интеллектуальных систем «производство – транспортировка – потребление», развитие технологий «умных сетей» (smart grids).
  3) Формирование единых подходов к прогнозированию, планированию и мониторингу развития ВИЭ, включая совместную реализацию пилотных проектов, крупных исследовательских программ в области ВИЭ, а также определение приоритетных направлений развития энергетической инфраструктуры.
  4) Гармонизация законодательной и нормативно-правовой базы для поддержки развития международного сотрудничества по программам, проектам, технологиям в области ВИЭ. Изучение возможности гармонизации технических стандартов. Разработка общих подходов по государственной поддержке ВИЭ (в области субсидий, налогов, поддержке кредитов и гарантий, таможенных сборов и др.).
  5) Формирование в РФ значительного сектора производства электрической энергии генераторами ВИЭ неизбежно вызовет потребность в квалифицированных кадрах. Опыт подготовки таких специалистов имеется в зарубежных странах и целесообразно согласовать программу переподготовки, обучения и включения в этот процесс ведущих инженерных ВУЗов России.
  6) Развитие НИОКР и коммерциализация инноваций.


3. ТЕХНОЛОГИИ БИОЭНЕРГЕТИКИ, ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ДЛЯ РАЗВИТИЯ В РОССИИ

В России биоэнергетические технологии развиваются по следующим направлениям: 
  1) изыскание и создание крупномасштабных, высокопродуктивных источников биомассы (фотосинтез, производство древесной биомассы, промышленное разведение растений – продуцентов углеводородов, производство углеводсодержащей непищевой биомассы, производство водной биомассы, использование твердых отходов городов);
  2) биотехнологическая конверсия (получение этилового и других спиртов, органических кислот, растворителей из различных видов биомассы, получение биогаза и водорода);
  3) термохимическая конверсия (прямое сжигание, газификация, пиролиз, сжижение, фест-пиролиз, синтез) для получения жидкого, твердого и газообразного топлива. Биомасса – это растительный и животный мир и продукты их технической и физиологической переработки, включая многочисленные органические отходы. Биомасса или Биоресурсы - это мощный потенциальный мировой источник топлив и сырья для химии. Биомасса трансформируется в топливо или энергию методами биологической и термохимической конверсии.

3.1. Термохимическая конверсия биомассы в топливо

3.1.1. Прямое сжигание

Прямое сжигание — древнейший, но наименее выгодный процесс с КПД получения тепловой энергии 15-18 %. Однако существуют такие виды биомассы, которые выгоднее сжигать при условии создания тепловых агрегатов с более высоким КПД. К таким видам биомассы относятся:
  - солома злаковых и крупяных культур, стебли подсолнечника и кукурузы, из которых готовят топливные гранулы - пеллеты;
  - некоторые виды древесины, древесные отходы;
  - твердые отходы сельскохозяйственного производства;
  - городские твердые отходы;
  - отходы производства сахара из сахарного тростника — багасса, которая при прямом сжигании используется для производства пара, электричества, пульпы, бумаги, картона, корма для животных.

3.1.2. Пиролиз

Пиролиз – это термохимическая конверсия сырья без доступа воздуха при температуре 450...550 °С позволяет из 1 м3 абсолютно сухой древесины получать: 140... 180 кг древесного угля, не содержащего ни серы, ни фосфора и используемого для получения лучших сортов стали, 280.. .400 кг жидких продуктов — метанола, уксусной кислоты, ацетона, фенолов; 80 кг горючих газов — метана, моно оксида углерода, водорода.

3.1.3. Газификация

Газификация — сжигание биомассы при температуре 900... 1 500 °С в присутствии воздуха или кислорода и воды с получением синтез-газа, состоящего из смеси моно оксида углерода, водорода и стеклообразной массы (7... 10 % массы исходного материала), приме-няемой как наполнитель для дорожных покрытий. Газификация — более прогрессивный и экономичный способ использования биомассы для получения тепловой энергии, чем пиролиз. Синтез-газ имеет высокий КПД тепловой конверсии. Он может употребляться для получения метанола.

3.1.4. Сжижение

Сжижение — производство жидкого топлива из биомассы путем термической конверсии: термический пиролиз или газификация в присутствии катализаторов. Реакции происходит так, чтобы в качестве основного продукта получалось жидкое топливо, и при этом можно производить уголь и газ.

3.1.5. Быстрый пиролиз

Быстрый пиролиз — биомасса в течение короткого времени подвергается воздействию экстремально высоких температур (700... 1 400 °С), в результате которого происходят быстрое разложение исходных продуктов и образование новых соединений: этанола, пропилена, углеводородов, близких к бензину. Газ, получаемый с помощью быстрого пиролиза, содержит водород, метан, этилен, пропилен. Использование быстрого пиролиза биомассы выгоднее, чем пиролиза угля, так как биомасса содержит значительно меньше золы, и ее можно подвергнуть воздействию более низких температур. Этому направлению, очевидно, принадлежит будущее.

3.1.6. Синтез

Синтез — каталитический синтез метанола из газов, образующихся при термической конверсии биомассы. Изменяя температуру и давление, а также используя уникальные катализаторы, кроме метанола можно получить целый ряд других соединений. Проме-жуточные соединения образуются и из лигнина. Из 1 т древесины можно синтезировать 410...540 л метанола. Если синтез производить в присутствии водорода, получающегося при электролизе воды, то выход метанола увеличивается до 1 400 л.

3.2. Биоэнергетические технологии

К биоэнергетическим технологиям относятся такие процессы, как: биогазовые технологии; производство этанола; получение биодизельных топлив, жирных кислот, растительных углеводородов; производство биоводорода, получение тепловой энергии.

3.2.1. Биогазовые технологии.

био6.jpg 

Биогаз — смесь метана и углекислого газа - продукт метанового брожения органических веществ растительного и животного происхождения, осуществляемого специфическим природным биоценозом анаэробных бактерий различных физиологических групп. Метановое брожение протекает при температурах от 10 до 55 °С в трех четко определенных диапазонах: 10...25 °С — психрофильное; 25...40°С – мезофильное; 52...55 °С —- термофильное; влажность составляет от 8 до 99 %, оптимальная 92-93%.

Содержание метана в биогазе варьируется в зависимости от химических свойств сырья и может составлять от 50 до 90 %. В зависимости от природы исходного сырья изменяется и выход биогаза: от 200 до 600 л на 1 т абсолютно сухого вещества.

К настоящему времени разработано и применяется множество технологий получения биогаза, основанных на использовании различных вариаций температурного режима, влажности, концентраций бактериальной массы, длительности протекания биореакций.

Биогазовые комплексы – это новые для России технологии, требующие серьезных капиталовложений. Проектирование таких комплексов - затратное занятие при нынешней политической ситуации в стране, и их окупаемость возможна только по истечению длительного периода эксплуатации - 10-15 лет. Готовые технологии, которые уже успешно и рентабельно используются на западе, не всегда могут быть эффективны в России. Зачастую опыт в проектировании таких установок зарубежными странами не подходит под определенную климатическую зону России и требует внесения существенных корректировок. Важно разработать именно такие комплексы, которые будут подходить под определенную климатическую зону РФ с учетом наличия в ней конкретного вторсырья и вида отходов. Одним из решений данной проблемы может стать рассмотрение данных проектов не только с точки зрения энергообеспечения (в РФ это зачастую рассматривается как непрофильный актив), а в рамках энергоэкологической сервисной программы, как долгосрочный и прибыльный проект основного вида деятельности предприятия.

3.2.2. Производство этанола.

Этанол, а также другие низшие спирты, альдегиды и кетоны — продукты спиртового брожения разнообразных сахаро- и крахмалосодержащих субстра-тов. Однако наиболее распространенными видами сырья для производства этанола являются отходы сахарного производства: багасса или меласса (сахарная свекла), а также крахмал кукурузы, сорго, картофеля, пшеницы и риса. В России этанол получают также при брожении гидролизатов древесины (целлюлозы).

Наиболее значительный интерес в мире к жидким биотопливам (особенно к этанолу) для ис-пользования на транспорте появился в период с 1970 по 1990 г. и обязан этим высоким ценам на нефть. В настоящее время в развивающихся странах он имеет тенденцию к продолжению вследствие экологических проблем.

В некоторых странах этанол в чистом виде или в смеси с бензином (газохол) широко применялся в 1970-е годы для двигателей внутреннего сгорания.

3.2.3. Биодизельное топливо

Биодизельное топливо имеет те же характеристики, что и обычные дизельные масла, которые могут использоваться в дизельных двигателях. Биодизельное топливо может быть получено из любого маслосодержащего растения — семян рапса, сои, кактусов и т.д.. Пре-имущество биодизельного топлива состоит в том, что его производство основано на широко известных технологиях получения растительных масел с их дальнейшим метилированием и растительных углеводородов.

В 1980-е годы возрос интерес к растительным углеводородам. Как правило, эффективные продуценты углеводородов и масел являются представителями тропической и субтропичес-кой флоры. Однако и в умеренном климате имеются культурные растения, семена которых содержат значительные количества масел, — подсолнечник, конопля, лен, рапс и др.

3.2.4. Экзотермическое окисление.

Получение тепловой энергии активным компостированием (микробное окисление). Использование этого метода для утилизации твердой биомассы и, прежде всего, твердых органических отходов также может внести существенный вклад в энергетику, в частности, в производство тепловой энергии. Метод основан на процессе бактериального окисления твердых органических веществ с образованием тепловой энергии, которая повышает температуру пропускаемого воздуха до 80...90 °С. Путем компрессии температуру выходящих газов можно поднять до 110°С. В некоторых странах, например в Японии, разработаны опытно-промышленные установки КПД которых достигает 95 %.

Источник:
1). Статья ФГБУ «Российское Энергетическое Агентство» МИНЭНЕРГО РФ
 «БИОЭНЕРГЕТИКА РОССИИ В ХХI ВЕКЕ», Москва, 2012
2). Иллюстрации из Интернета