7.4. Біоенергетика

Стан розвитку та енергетичний потенціал. Майже третина населення Землі (приблизно 2 млрд чол.) ще й досі ви­користовує біомасу у вигляді деревини як основне джерело палива.

Біомаса (БМ) — термін, який вживають на позначення су­купності живої і неживої, рослинної і тваринної матерії на на­шій планеті. У це поняття також включено органічні залишки, відходи — гній, викиди мясо- й молококомбінатів, гнилі овочі, рештки сільськогосподарських культур на полях, органічні промислові й побутові відходи, відходи лісового господарства, боєнь, броварень, зернопереробних, текстильних, паперових заводів тощо.

У будь-якій формі біомаса є відновлюваним, єдиним до­ступним, простим і дешевим джерелом енергії для більшості сільських жителів планети. В Ефіопії, Непалі, Танзанії, в Сибі­ру й Амазонії, в Північній Канаді та на островах Полінезії, Мікронезії, в Малайзії завдяки біомасі задовольняється 80—90 % потреб у паливі. Навіть у таких розвинених країнах, як США, Швеція, Норвегія, Канада, частка енергії, одержуваної з біомаси, в загальному обсязі енергії становить 4—10 %.

Біомаса є продуктом фотосинтезу — найважливішого про­цесу народження живої речовини за рахунок сонячної енергії.

Одержання енергії з біомаси (деревини, деревних відходів, соломи,   гною,   сільськогосподарських  відходів, органічної

частини твердих побутових відходів) є галуззю, що динамічно розвивається в багатьох країнах світу. Цьому сприяють такі властивості біомаси як палива: великий потенціал і відновлюва­ний характер, надійність систем енергопостачання, на ній базо­ваних, можливість посутньо зменшити викиди СО2 в атмосферу,

значний внесок у розв'язання екологічних проблем завдяки використанню різних відходів, чим допомогають вирішенню соціальних питань та економічному розвитку реґіонів.

Завдяки неабиякому потенціалу, стислим термінам окупнос­ті проектів, екологічним перевагам біомаса вірогідно є одним з найпріоритетніших видів серед інших відновлюваних джерел енергії в більшості країн. Під кінець XX ст. загальний обсяг світо­вих первинних енергоресурсів становив близько 8,5 млрд т н. е., з яких приблизно 7 млрд т н. е. припадає на частку викопного органічного палива. Водночас, енергетичний потенціал усієї рослинності нашої планети становить близько 70 млрд т н. е., тобто в 10 разів перевищує використання викопного палива. Частка деревини, яку використовують для одержання енергії, становить: у Данії — 61 % від загального об'єму вивезеної з лісів деревини, у Франції — 56 %, Іспанії — 44 %, Швейцарії — 56 %. Пересічно в Європі темпи її використання зростають на 7,3 % щороку (у Швеції — 10,2 % на рік, у Данії — 9,2 %, Франції — 8,9 %, Іспанії — 7,7 %).

Нині БМ покриває в середньому 15 % загального спожи­вання первинних енергоресурсів у світі: у країнах, що розви­ваються, — 48 %, у промислово розвинених країнах — пересічно 2-3 % (США — 3,2 %; Данія — 6 %; Австрія — 12 %; Швеція — 18 %; Фінляндія — 23 %; див. табл.7.8.).

Як бачимо, ресурси біомаси є ефективним відновлюваним джерелом енергії, що його різні види наявні практично в усіх реґіонах світу. Отже, у кожному з них може бути налагоджена переробка біомаси в енергію і паливо. На сучасному рівні, використавши біомасу, можна покрити 6-10 % від загальної кількості енергетичних потреб промислово розвинених країн. Біомаса, здебільшого у формі деревного палива, є основним джерелом енергії приблизно для 2 млрд чол. Для більшості мешканців сільських районів "третього світу" вона лишається


єдиним приступним джерелом енергії. Біомаса як джерело енергії відіграє надзвичайно важливу роль і в розвинених країнах. Навзагал вона дає сьому частину від світового обсягу палива, а за кількістю одержаної енергії спільно з природним газом посідає третє місце. З біомаси дістають у 4 рази більше енергії, ніж дає ядерна енергетика.

Стратегія розвитку біоенергетики істотно відрізняється в різ­них країнах ЄС. Так, Австрія та Італія зосереджують свої зусилля на будівництві теплових станцій потужністю 0,5...10,0 МВт, що використовуватимуть як паливо відходи лісової й деревообробної промисловості. У Фінляндії, Данії та Швеції близько 70 % одержа­ної з БМ енергії перетворюються в теплову й електричну енергію на великих теплофікаційних ТЕЦ, решта ж — на великих тепло­вих станціях. У більшості випадків такі ТЕЦ мають потужність 10.80 МВт та як первинні енергетичні ресурси використовують БМ і традиційні палива. У США майже всі станції, що працюють на БМ, виробляють електроенергію. Зведені дані про енергетичне використання БМ у різних країнах представлені в табл. 7.8.

Одним зі способів одержання енергії з біомаси тваринного і частково рослинного походження є її анаеробне (без доступу

кисню) зброджування. Для цього біомасу певний час витриму­ють без доступу кисню, як правило, при температурі 30—37 °С або 55—60 °С. У цих умовах під дією бактерій частина органічних речовин розкладається і в результаті утворюється метан та вугле­кислий газ, суміш яких і є біогазом. За нормальних умов роботи реактора (метантенка) одержаний біогаз містить 60—70 % мета­ну, 30—40 % двоокису вуглецю, небагато сірководню (до 3 %), а також домішки водню, аміаку й оксиди азоту. Такий газ не має неприємного запаху, його теплота згорання досягає 25 МДж/м3, що еквівалентно теплоті згорання 0,6 л бензину, 0,85 л спирту або 1,7 кг дров.

Значною перевагою біогазових установок є те, що вони од­ночасно відіграють роль очисних споруд, що знижують бакте­рійне та хімічне забруднення ґрунту, води і повітря. Порівняно з малими ГЕС, вітро- й геліоенергоустановками, які є пасивно чистими (використовують екологічно чисті джерела енергії), бі-огазові установки — активно чисті, тобто усувають екологічну небезпечність продуктів, що застосовуються як джерела пер­винної енергії.

Тепер у Європі зосереджено 44 % світового об'єму установок для зброджування аероба, в Північній Америці — 14 %. 1994 року в країнах ЄС було зареєстровано 397 великих біогазових устано­вок, зокрема промислових і централізованих сільськогосподар­ських.

За своїм потенціалом і концепцією розвитку біоенергетики найближчою до України є, певно, Данія, адже обидві країни мають достатньо малу територію, покриту лісом (близько 14 %), і високорозвинутий сільськогосподарський сектор. У Данії екс­плуатується 50 теплових електричних станцій і 5 великих ТЕЦ, що застосовують деревину як паливо; працює 8 000 фермер­ських установок (0,1...1,0 МВт), 62 ТЕС (1...10 МВт) і 9 ТЕЦ, які спалюють солому; діють 18 централізованих біогазових устано­вок, котрі щорічно виробляють 40—45 млн м3 (0,02 млн т н. е) біогазу. В цілому, завдяки застосуванню біогазу покривається 6 % потреби країни в енергоресурсах. Данія наочно демонструє Україні, яких результатів можна досягти в цьому перспектив­ному напрямі.


Дійсно, в Україні на самих лише великих свинарських і птахі­вничих підприємствах щорічно утворюється понад 3 млн т орга­нічних відходів як сухої речовини, а їх переробка дасть змогу одержати близько 1 млн т у. п. у вигляді біогазу, що еквівалентно 8 млрд кВтт. електроенергії. Крім того, існує майже 2 млн не-газифікованих приватних обійсть. Досвід країн, не забезпече­них природним газом, наприклад КНР, показує, що віддалені сільські місцевості доцільно газифікувати за допомогою малих біоустановок, які працюють на органічних відходах приват­них садиб. Так, упровадження 2 млн. установок в Україні дало б змогу одержати близько 2 млрд м3 біогазу на рік (це дорівнює 13 млрд кВтт енергії) і забезпечило б такі садиби органічним до­бривом у кількості 10 млн т на рік.

Як засвідчив набутий практичний досвід виробництво біога-зу є для України найперспективнішим напрямом використання енергії біомаси. Головними потенційними джерелами, крім за­вважених вище, є: міські комунальні очисні споруди, органічні відходи деяких промислових галузей, полігони твердих побуто­вих відходів міст (звалища).

Попередні оцінки потенційних запасів біогазу (табл.7.9) в Україні свідчать, що (за максимального використання орга­нічних відходів і впровадження сучасної техніки одержання біогазу) його частина в загальному використанні горючих газів може становити близько 10 %. Потенціал анаеробної фермен­тації України дає змогу тваринницьким комплексам покрити 30 % їхньої потреби в енергії. При цьому окрім біогазу будуть одержані високоякісні добрива. Якщо загалом енергетичні ре­сурси нетрадиційних енергетичних джерел в Україні становлять 78,2 млн т у. п./р., то з них на частку біоенергетики припадає 21,2 млн т у. п/р., (27 % потенціалу НВДЖЕ).

Згідно з "Протоколом про спільні зусилля щодо зниження емісії парникових газів в атмосферу" (м. Кіто, Японія, 1997 р.), промислово розвинені країни мусять до 2010 р. знизити емісію парникових газів у середньому на 5,2 % порівняно з 1990 р. (кра­їни ЄС — на 8 %, США — на 7 %, Японія — на 6 %). Використання БМ як палива складає істотний внесок у вирішення цього питання, оскільки БМ є СО2 — нейтральною. Під час її спалю­вання виділяється та ж сама кількість СО2, яка була поглинена в процесі її зростання. Викиди парникових газів (СО2, СН4, N2O) у перерахунку на СО2 — еквівалент під час спалювання вугілля — дорівнюють величині корисної енергії, яка в 20 разів перевищує їхню кількість у процесі спалення деревної щепи.

У наш час біомасу все ширше використовують для виро­блення біогазу та подальшої його переробки з метою виробити електроенергію, добрива, тепло (рис.7.8).

Біогаз одержують із рідкої маси, що містить 95 % води, тому на практиці його вихід визначити досить важко. Істотною пере­вагою переробки біомаси в метантенках (біогазових аґреґатах) є те, що у відходах біомаси хвороботворних мікроорганізмів міститься значно менше, ніж у початковому матеріалі.

Одержання біогазу є економічно виправданим і вигідним у разі, коли переробляють постійний потік відходів (стоки тва­ринницьких ферм, боєнь, потік рослинних відходів тощо). Його економічність полягає у тому, що немає потреби заздалегідь збирати відходи й керувати їхньою подачею. При цьому видно, коли і скільки буде одержано відходів.

Метан, сірководень, вуглекислий газ

Перероблений залишок

І

І

Утворення метану метанотвірними бактеріями

Утворення летких кислот кислотоутвірними бактеріями

І

І

І

Органічні речовини

Вода

Теплота

Рис.7.8. Процес одержання біогазу

Біогаз можна одержувати в установках різних розмірів. Особливо вигідно використовувати біогаз в агропромислових комплексах, де можливий повний екологічний цикл. Його засто­совують для освітлення, опалення, приготування їжі, для надан­ня руху різним механізмам, транспорту, електрогенератору.

Послідовність процесу зображена на рис.7.8. На першому етапі складні органічні полімери (клітини, білки, жири та ін.) під впливом різних видів анаеробних бактерій розкладаються на простіші сполуки: леткі жирні кислоти, нижчі спирти, водень та оксид вуглецю, оцетову і мурашину кислоти, метиловий спирт. На другому етапі бактерії перетворюють органічні кислоти на метан, вуглекислий газ і воду.

Температура значною мірою впливає на перебіг процесу анаеробного зброджування органічних речовин. Найбільш сприятливою є температура 30—40°С (розвиток мезофільної бактерійної флори), а також 50—60°С (розвиток термофільної бактерійної флори). Вибір мезофільного або термофільного режиму роботи визначається аналізом кліматичних та еконо­мічних умов.

Окрім температурних умов на процес метанового зброджу­вання і на кількість одержуваного газу впливає час обробки відходів.

Під час експлуатації реакторів конче треба контролювати по­казник рН, оптимальне значення якого — 6,7—7,6. Реґулювання цього показника здійснюється через додавання вапна.

Біогаз містить 50—80 % метану, має теплоту згорання 5 340—6 230 ккал/кг (6,21—7,24 кВт-год/кг) і може ефективно використовуватися як паливо для газогенераторів і газотурбін з ККД до 80 %, для подальшого вироблення електрики (33 %) або тепла (50 %).

Мікробіологічні технології користаються зі здатності метанових бактерій розщеплювати в безкисневому середовищі органічні ре­човини рослинного походження й утворювати з них біогаз. З однієї тонни сухих органічних речовин метанові бактерії продукують 200—600 м3 біогазу, що еквівалентно енергоємності 0,5 — 0,6 кг бензину або 0,77 кг у. п. (тобто 5-6 кВт-г електроенергії).

У процесі мікробіологічної переробки відходів, викорис­товуваних як дешева енергохімічна сировина шляхом розще­плювання, не забруднюється довкілля, оскільки створюється замкнутий кругообіг речовин й енергії. При цьому досягають 90 % ступеня перетворення енергії органічних відходів на біогаз. Це в 3—4 рази перевищує даний показник, що його дістають під час спалювання рослинного палива в печах.

Сучасні біогазові установки мають найрізноманітніші роз­міри: від малих, продуктивністю 3—8 м3 до середніх (25—170 м3) і великих (250—500 м3 та більше).

Провідне місце у виробництві біогазу посідає Китай, де бу­дівництво невеликих біогазових установок почалося з 70-х років XX ст. Щороку тут виробляли до 1 млн установок і до 1996 р. їх налічувалося вже понад 17 млн (об'ємом 8-10 м3). У Китаї також побудовано більше як 40 000 великих біогазових аґреґатів, а це дає змогу переробляти до 230 млн т відходів на рік і при цьому продукувати близько 110 млрд м3 газу, що еквівалентно вико­ристанню природного газу в Україні. До початку ХХІ ст. кіль­кість біогазових установок у Китаї перевищила 30 млн. Вони перероблятимуть близько 1 млрд т відходів, продукуючи до 500 млрд м3 газу, що дорівнює 350 млн т у. п.

Друге місце за показниками розвитку біоенергетики на­лежить Індії — більше 1 млн біогазових установок. Швидкому

розповсюдженню біотехнології в Китаї та Індії сприяло те, що держава надала субсидії й пільги на придбання будівельних матеріалів для спорудження біогазових установок.

Батьківщиною першого промислового метантенка є Англія. Тут біогазові установки досить ефективно використовують у сільському господарстві: ще 1990 року за допомогою біогазу були покриті всі енерговитрати в сільському господарстві. У Лондоні функціонує один з найбільших у світі комплексів з переробки по­бутових стічних вод і виробництва біогазу — до 92 млн м3 на рік.

Цікаво, що, за відомостями американських фахівців, у насе­лення сільськогосподарських районів США останніми деся­тиліттями зростає інтерес до використання дров як палива. З 1974 по 1985 р. було продано близько 11,5 млн дров'яних печей, у 1982—83 рр. — ще 2,7 млн. За цей період збільшилися і масш­таби спалювання деревини в промисловості (з 59 млн т у 1969 р. до 81 млн т у 1981 р.). Ідеться здебільшого про відходи паперової, целюлозної, деревообробної промисловості та лісопродукти.

Паливо для дров'яних печей екологічно є досить чистим, його потенційна енергія велика. Воно не зменшує ресурсів лісу, якщо виробляється з відходів лісопромисловості, з повалених дерев, з продуктів розчищання лісу.

Якщо ж на паливо вирубують гарні лісові масиви і при цьому не відновлюють лісовий фонд, то природі завдається непоправ­ної шкоди. Звичний хвойний, хвойно-буковий або хвойно-дубо­вий ліс відновлюється через 25—100 і більше років. Швидкоросла тополя, західний і кленолистий каштан, що дає високі врожаї, можуть допомогти розв'язати проблему швидшого відновлення лісових масивів, але далеко не скрізь.

Використання органічних відходів має потрійний пози­тивний ефект: дає енергію, зменшує кількість відходів, сприяє збереженню довкілля. Тому в ряді країн інтерес до біомаси зріс не тільки як до палива, а і як до сировини, що з неї можна виробляти паливний спирт для автомобілів. У Бразилії понад 2 млн автомобілів працюють на гідролізному спирті, 8 млн — на суміші бензину і спирту (спирту — до 20 %). Цей досвід усе біль­ше поширюється в США, Швеції, Кенії, Зімбабве, Малайзії, на Філіппінах.

Водночас зростання інтересу до біомаси як до палива за рахунок використання тих її ресурсів, які можуть бути продук­тами харчування (зерно, цукрова тростина та ін.), спричинило соціальні конфлікти в Бразилії та США.

Досвід останніх років показує, що можливості сільськогос­подарських культур як потенційного палива насправді обмежені (вони в декілька разів менші, ніж у лісів). Відтак, учені розроби­ли технології комплексного використання біомаси, коли корма, продовольство і паливо виробляють у розумних співвідношен­нях, послуговуючися принципами багатогалузевого сільського господарства та рециклування побічних продуктів і відходів.

У країнах СНД переробку біомаси в паливо здійснюють за трьома напрямами:

біоконверсія — розкладання органічних речовин рослинного або тваринного походження без доступу повітря завдяки спеціальним видам бактерій та, як наслідок утворення біогазу (метану) або/і рідких палив (етанолу, бутанолу й ін.). Одержання теплової енергії у процесі мікробіологічного окиснення аероба органічних речовин (біопідігрів, ком­постування городних і садових відходів) також належать до цього напряму;

термохімічна конверсія (піроліз, газифікація, синтез) твер­дих органічних речовин (дерево, торф, вугілля) у метанол, штучний бензин, деревне вугілля, що її частіше називають термічною газифікацією. Вона вірогідно є процесом нагрі­вання біомаси в камері з контрольованою подачею повітря. При цьому виділяються леткі гази, що є основою твердої біо­маси (соломи, деревини тощо). Так, під час газифікації дере­вини утворюються: азот — 50—54 %, оксид вуглецю — 20—22 %, водень — 12—15 %, двоокис вуглецю — 9—12 %, метан. Паливо перетворюється на газ у результаті хімічних процесів: вису­шування, піроліза, спалювання (окиснення), і відновлення. На рис.6.9 показана схема противоточної газифікації, основні хімічні реакції й потоки, рівні температур та зони реакцій;

спалювання відходів (макуха, щепа, лігнін та ін.) у котлах спеціальної конструкції, в печах, на вогнищах. До цього на­пряму належить і спалювання дров у побутових печах.

Найперспективнішим та екологічно безпечним вважають перший напрям — біоконверсію. Вона передбачає значне ско­рочення відходів тваринництва, птахівництва і, відтак, менше забруднення ними ґрунту, води, повітря, оскільки ці відходи цілком ідуть на переробку. У процесі біоконверсії одержують високоякісні добрива, адже під час анаеробного зброджування азот і фосфор у гної зберігаються повністю, а за традиційного вивезення гною на поля втрачають до 30—40 %. Біоконверсія дає також якісні кормові добавки і препарати.

У процесі переробки всіх відходів тваринництва й рослинни­цтва в Росії (близько 20 млн т сухої речовини) можна одержати близько 35 млрд м3 біогазу (тобто приблизно не 60 млн т у. п.), а в Україні — майже 3,5 млрд м3 метану.

Темпи розробки і впровадження біоенергетичних уста­новок (БЕУ) у Росії й Україні набагато відстають від Китаю, Індії та Англії. За найефективніші вважають великі БЕУ (об'єм біореактора 6 000 м3), які нині працюють у Пярну (Естонія), де переробляються відходи свинарського комплексу на 54 000 го­лів, і БЕУ (з об'ємом біореактора 150 м3, потужність ферми — 3 000 голів), що діють у Латвії. З 1985 р. серійно виробляють БЕУ «Кобос-1», призначені для ферм з кількістю рогатої худоби

400—500 голів.

У комплект «Кобос-1» входять: подрібнювач гною, піді-грів-видержувач об'ємом 25 м3, два горизонтальні метантенки (по 125 м3), газгольдер, водогрійний котел, насоси, теплообмін­ники, система контролю й управління процесом, трубопроводи, допоміжна арматура. БЕУ видає біогаз з теплотою згорання 14 650—25 100 кДж/м3 (92 —96 тис. кДж/кг). 25-40 % газу вико­ристовують для потреб самої БЕУ, решту — для потреб господар­ства. На кращих зарубіжних БЕУ "зайвий" газ застосовують для роботи дизель-генератора.

Принцип роботи «Кобос» є таким: подрібнену біомасу з початковою вологістю 95—98 % нагрівають, витримують 1 добу, потім подають в один з метантенків, де підтримується темпера­тура 42-43 °С і знижений тиск (300—500 мм водного стовпчика). Добова частка завантаження становить приблизно чверть об'єму одного метантенка.


Біомаса

Основною причиною досить повільного впровадження БЕУ у виробництво й використання їх в агропромислових комплексах СНД є цілковитий брак державної підтримки підприємствам, що виготовляють такі установки, надто висока ціна на них і відсутність пільг на придбання та експлуатацію БЕУ. Цим країни СНД відрізняються від, скажімо, Сполучених Штатів чи Китаю.

Проте за розмаїттям, ефективністю та оригінальністю останні розробки БЕУ в Росії й Україні (1992—1998 рр.) є цілком конкурентоспроможними. Є установки для інтенсивного виро­щування мікроводоростей і їхньої переробки на гліцерин та рідкі вуглеводні (розробник — Московський державний університет).


150°с

Розроблено проекти комплексів на базі ставків-охолоджувачів атомних і теплових електростанцій, які виробляють рідке паливо й поставляють рибу; розроблено біореактори для індивідуальних невеликих господарств (об'єм метатенка 3 м3) і дачних ділянок (розробка Київського ін-ту УкрНДІАгропроект). Ще з 1965 р. біля Києва в с. Бортничі діє біоустановка, що виробляє близько 10 млн м3 біогазу на рік з осадів стічних вод Києва. Аналогічні установки функціонують у Харкові, Одесі, Кривому Розі.

Розрахунки підтверджують доцільність прискореного роз­витку біоенергетики як з економічного, так і з екологічного поглядів.


Авторы: 239 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я

Книги: 268 А Б В Г Д Е З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Э Ю Я