В. Арутюнов - Нефть XXI. Мифы и реальность альтернативной энергетики

Биоэнергетика, наряду с солнечной энергетикой, является основной надеждой и аргументом тех, кто рассчитывает на возможность удовлетворения энергетических потребностей человечества за счет возобновляемых источников энергии. Сейчас на долю сжигания биомассы, в основном дров и сельскохозяйственных отходов, приходится значительная часть энергопотребления в бытовом секторе многих слаборазвитых стран. Но в условиях уже обсуждавшегося дефицита продуктов питания и деградации сельскохозяйственных земель рассчитывать на удовлетворение быстро растущих энергетических потребностей человечества за счет «зеленой энергетики», т. е., по сути, сельского хозяйства, нереально. Конечно, это не исключает более широкого использования отходов биомассы и бытовых отходов для выработки энергии. Например, на территории современного городского района с населением в 100 тыс. человек ежегодно образуется около 40 тыс. т твердых горючих бытовых отходов, тепловая утилизация которых позволяет обеспечить половину жителей района горячей водой, сэкономив 10–15 % расхода природного топлива.

Поскольку технологии получения энергии из биосырья достаточно разнообразны, рассмотрим этот вопрос более подробно. Если оставить в стороне чисто бытовое использование древесного топлива (дрова, древесные пеллеты и т. п.), то все растительное сырье, реально или потенциально пригодное для использования в промышленной энергетике, принято делить на несколько поколений.

Первыми начали использовать традиционные сельскохозяйственные культуры с высоким содержанием жиров, крахмала, сахаров. Растительные жиры хорошо перерабатываются в топливо для дизельных двигателей, получившее название биодизель. Растительные крахмалы и сахара перерабатываются в этанол (этиловый спирт), который может использоваться как топливо для карбюраторных двигателей либо самостоятельно, либо как добавка к бензину, повышающая его октановое число. Однако помимо проблем, связанных с ведением интенсивного сельскохозяйственного производства: истощением почв, высокими затратами на их обработку, полив, удобрения и пестициды, изъятие даже части продовольственных культур с рынка пищевых продуктов непосредственно влияет на цену продовольствия для населения. Это сырье относят к первому поколению биотоплив.

Непищевые остатки культивируемых растений, траву и отходы древесины относят ко второму поколению биосырья. Его получение в принципе связано с гораздо меньшим объемом затрат, чем культур первого поколения. Но при этом резко возрастают расходы на его сбор, подготовку и переработку. Такое сырье содержит в основном целлюлозу и лигнин. Его можно непосредственно сжигать (как это традиционно делают с дровами), газифицировать (получая горючие газы), осуществлять пиролиз с получением жидких и газообразных продуктов. Основные недостатки использования второго поколения биосырья – занимаемые для его получения земельные ресурсы и относительно невысокая отдача с единицы площади.

В качестве третьего поколения биосырья рассматривают водоросли. Их производство не требует земельных ресурсов, допускает большую концентрацию биомассы и высокую скорость воспроизводства. Однако при использовании для его производства природных водоемов могут возникнуть серьезные экологические последствия для окружающих природных ландшафтов. Кроме выращивания водорослей в открытых прудах возможно их выращивание в небольших биореакторах, расположенных, например, вблизи электростанций. Сбросное тепло ТЭС способно покрыть более 70 % потребностей в тепле, необходимом для выращивания водорослей.

Ряд европейских стран в настоящее время рассматривает как перспективное направление производство биомассы культивированием фитопланктона в искусственных водоемах, создаваемых на морском побережье. Последующее метановое брожение биомассы и гидроксилирование образующегося метана позволяют получать в качестве биотоплива метанол. Основным доводом в пользу использования микроскопических водорослей является высокая продуктивность фитопланктона, до 100 т/га в год. Кроме того, при этом не используются ни плодородные почвы, ни пресная вода, и нет конкуренции с сельскохозяйственным производством. Поэтому с точки зрения получения энергии данная биосистема имеет существенные экономические преимущества по сравнению с другими способами преобразования солнечной энергии. Однако осуществлению подобных проектов пока не способствует общемировая тенденция снижения цен на нефть.

По своему агрегатному состоянию биотоплива могут быть твердыми, жидкими и газообразными. Твердые топлива – это традиционные дрова (часто в виде отходов деревообработки), топливные гранулы и пеллеты (прессованные мелкие остатки деревообработки). Жидкие топлива – это спирты (метанол, этанол, бутанол), эфиры, биодизель и биомазут, получаемые из растительного сырья. Наконец, газообразные топлива – это различные газовые смеси, состоящие из метана, оксидов углерода, водорода и других газов, получаемые при термическом разложении биосырья в присутствии кислорода (газификация), без кислорода (пиролиз) или при его сбраживании под воздействием бактерий.

Помимо непосредственно сельскохозяйственных продуктов источниками сырья для получения биотоплива могут быть лигно-целлюлозные соединения, остающиеся после того, как использованы пригодные для пищевой промышленности части биологического сырья. Наряду с биологическими процессами брожения для получения биотоплив применяют термический пиролиз, который позволяет превратить биомассу в жидкость, которую легче и дешевле транспортировать, хранить и использовать. По некоторым оценкам, при ныне существующих технологиях производство топлив пиролизом отходов и бросовой биомассы может покрыть 20 % потребностей Германии в автомобильном топливе. А к 2030 году, по мере технологического развития, ожидается, что пиролиз биомассы сможет обеспечить до 35 % германского потребления автомобильного топлива при себестоимости производства менее 0,80 евро за литр. Возможно также использование жидких продуктов пиролиза древесины хвойных пород. В этом случае для перегонки используются в основном отходы деревообработки: сучья, пни, кора. Выход топливных фракций достигает 100 килограммов с тонны древесных отходов.

К наиболее широко используемым видам биотоплива относится биогаз – продукт сбраживания органических отходов (биомассы), представляющий собой в основном смесь метана и углекислого газа. Разложение биомассы происходит под воздействием бактерий класса метаногенов. При сбраживании куриного помета или отходов скотоводческих хозяйств, а также бытового мусора возможно получение биогаза, на 70–80 % состоящего из метана и являющегося вполне полноценной заменой природному газу. Мировым лидером по использованию этого вида топлива является Китай. В 2008 году в стране функционировало около 30 млн индивидуальных установок по производству биогаза, обеспечивающих топливом около 22 % сельских жителей страны. Объем получаемого таким образом газа, по данным на 2005 год, составил около 6,5 млрд кубометров. Для развивающихся стран ценность подобной переработки отходов заключается в первую очередь в возможности обеспечить сельских жителей природным газом, используемым для обогрева жилища или приготовления пищи. Напротив, в Германии, являющейся лидером в этой области среди развитых стран, подавляющая часть биогаза поступает на электростанции. Последние годы подобное применение биогаза становится характерным и для Китая. Для утилизации своих отходов агрохолдинги строят небольшие ТЭС, способные обеспечивать электроэнергией до 10 тыс. квартир.