Развитие биоэнергетики
Основным источником биомассы на Земле является фотосинтез. Биомасса или биоресурсы — мощный потенциальный мировой источник топлива и энергии. Это возобновляемые ресурсы, составляющие ежегодно 220 млрд, тонн (по сухому веществу) и запасающие в виде энергии химических связей около 4-Ю21 Дж.
Общие мировые энергетические запасы биомассы на земной поверхности составляют 36*1021дж, тогда как ежегодное мировое коммерческое использование всей энергии составляет 3.9*1020 Дж. Одна тонна биомассы, в среднем, содержит до 2*Ю,0дж или эквивалентна 0.625 т. у.т.
В странах Европейского Союза, в среднем, использование биомассы для энергетических нужд составляет ежегодно до 3% от общего энергобаланса, но с широкими вариациями, так в Австрии эта доля составляет 12%, в Швеции -18%, в Финляндии — 23%.
В 2005 году мировое производство электричества из биомассы составило 180 ТВт-ч (табл. 1.16), с совокупной установленной мощностью порядка 40 ГВт.
Таблица 1.16
Лидеры по производству электрической энергии из биомассы, 2005 г.
|
Страна |
Производство (ТВтч) |
% от мирового |
|
США |
56,3 |
30,7 |
|
Германия |
13,4 |
7,3 |
|
Бразилия |
13,4 |
7,3 |
|
Япония |
і 9,4 |
5,1 |
|
Финляндия |
Г 8,9 1 |
4,9 |
|
Великобритания |
8,5 |
4,7 |
|
Канада |
8,5 |
4,6 |
|
Испания |
7,8 |
4,3 |
|
Остальные |
57,1 |
31,1 |
|
Среднегодовой темп роста в последнем десятилетии составил более 5% (Табл. 1.17) |
|
Таблица 1.17 Динамика производства электроэнергии из биомассы
|
В последние годы повышается интерес к использованию биотоплив, особенно к этиловому спирту и биодизельному топливу, и прежде всего на транспорте. Повышение и нестабильность цен на нефть способствовало увеличению темпа роста производства биотоплива до 12% в 2006 году. (Рис. 1.22)
|
|
Рис. 1.22 Мировое производство этанола и биодизеля, 2000-2007
Интенсивное развитие биогазовых технологий в развитых и развивающихся странах, повышение их эффективности и
рентабельности внесло значительные изменения в переориентировку этих технологий от только энергетической составляющей к экологической и агрохимической (производство удобрений) составляющим, особенно при переработке разнообразных
органических отходов.
Биогазовые технологии одновременно решают четыре глобальных проблемы:
• Экологическую — переработка органических отходов;
• Энергетическую — производство газообразного топлива, электрической и тепловой энергии;
• Агрохимическую — производство экологически чистых высокоэффективных органических удобрений;
• Социальную — улучшение условий быта и труда, особенно в сельской местности.
Все вышеперечисленное является решающей альтернативой для получения биогаза как в развитых, так и развивающихся странах.
Сбор и утилизация биогаза (метана) с полигонов ТБО — эффективный способ снижения эмиссии парниковых газов.
Около 20% глобального парникового эффекта на Земле связано с выбросами метана и 7-10% из них приходится на выбросы с полигонов ТБО (1млн. тут утилизированного метана с полигонов ТБО замещает 14,3 млн. т выбросов СОг)
Создание на полигонах ТБО систем утилизации самого сильного парникового газа-метана обеспечивает значительный экологический эффект.
В мире используется 1,2 млрд. мЗ/год биогаза, или 429 тыс. т метана (1 % его глобальной эмиссии);
в том числе в США — 500 млн. мЗ/год; в Германии — 400 млн. мЗ/год; в Великобритании — 200 млн, мЗ/год; во Франции — 40 млн. мЗ/год; в России < 50 тыс. мЗ/год
Существенные количества биогаза производятся, главным образом, при переработке твердых бытовых отходов городов и в ряде других стран: в США — эквивалентно 93 х 10 35 Дж, Германии — 14 х 1015 Дж, Японии — 6 х 1015 Дж, Швеции — 5 х 1015 Дж.
В Европе в соответствии с Директивой ЕС о свалках, все полигоны с биоразлагающимися отходами должны быть оборудованы газосборными системами.
Мировым лидером в индустриальном производстве биогаза является Дания. Ее успехи отражают преданность страны возобновляемым источникам энергии в целом. Около 14% современного потребления энергии в Дании приходится на возобновляемые источники энергии и их доля, как ожидают, увеличиться до 35% к 2035 г. Установленная мощность ЭС на биогазе в мире различных стран приведена в табл. 1.18.
|
Таблица 1.18 Системы сбора и утилизации биогаза и установленная мощность ЭС на биогазе в мире
|
На территории России ежегодно конвертируется до 227 х 1021 Дж солнечной энергии и продуцируется до 14-15 млрд, тонн биомассы в результате усвоения 21-22.5 млрд, тонн СОг.
Энергия химических связей этого количества российской биомассы составляет 8.2 млрд, тонн нефтяного эквивалента.
Ежегодно в России по разным отраслям народного хозяйства производится до 300 млн. тонн (по сухому веществу), из них: 230 млн. тонн в сельскохозяйственном производстве — 130 млн. тонн в животноводстве и птицеводстве и 100 млн. тонн в растениеводстве; в городах — 70 млн. тонн: 60 млн. тонн твердых бытовых отходов и 10 млн. тонн осадков сточных вод. Энергетический потенциал указанного количества отходов составляет 190 млн. т. у.т., реально можно получать в год до 45 млн. т. у.т.
Переработка такого количества отходов только по биогазовым технологиям может дать до 80 млрд. куб. биогаза, что эквивалентно 56 млрд, куб. м природного газа.
Около 40 тепловых электростанций используют биомассу (в основном, отходы деревообрабатывающей промышленности) наряду с другими видами топлива. Биомасса также используется в качестве твердого топлива в некоторых районных котельных. Внастоящее время в России действуют около 100 заводов, перерабатывающих биомассу и сельскохозяйственные отходы в биогаз. Бытовые и промышленные отходы используются на крупных мусоросжигательных заводах Л 64 В Москве действуют два таких завода, выполняющих много полезных функций: уничтожение отходов, повышение энергетической эффективности, улучшение санитарных условий и, соответственно, состояния здоровья населения. Министерство природных ресурсов занимается подготовкой нового Закона о бытовых отходах.
Благодаря вниманию и усилиям сначала Государственного комитета СССР по науке и технике, а затем Министерства промышленности, науки и технологий РФ проблема энергетического использования биомассы в СССР и России и близкие к ней направления были включены в две научно-технические государственные программы СССР, а в настоящее время выполняются по соответствующим Федеральным научно — техническим программам РФ.
Первые научные разработки в области биогазовых технологий были сделаны более 70 лет назад. Одно из направлений — анаэробная переработка активного ила и осадков городских сточных вод.
В этой области были достигнуты серьезные успехи, так как уже с 50-х годов на основных станциях по очистке городских стоков работали мощные биогазгенераторы — метантенки, каждый по несколько тысяч кубически метров: Курьяновская и Люберецкая станции г. Москвы. Этот радикальный метод переработки активного ила и осадков сточных вод был далее реализован на станциях очистки других городов России: Новосибирска, Сочи и других.
Второе направление — переработка отходов сельскохозяйственного производства, и в первую очередь — животноводства и птицеводства были начаты в ВИЭСХе.
Биогазовые установки и станции могут функционировать в любых регионах России круглогодично в любое время суток, практически, везде, где есть органические отходы или доступная энергетическая биомасса. Реализация и внедрение биогазовых технологий в народное хозяйство требует крупных разовых инвестиций, но они окупаются за очень короткий срок и далее работают на накопление капитала.
Важным источником нетрадиционной энергии могут быть твердые бытовые отходы. К твердым бытовым (ТБО) относятся отходы, образующиеся в жилом секторе, дорожный и дворовый мусор, отходы от предприятий торговли, административных учреждений и офисов, культурно-спортивных учреждений.
В городах России, где проживает более 108 млн. человек, ежегодно образуется более 150 млн. куб. м ТБО. В среднем в стране каждый человек выбрасывает 1 м3 или 200-250 кг отходов, что эквивалентно 50-60 кг угля средней теплотворной способности.
Использование ТБО как топлива позволит:
резко сократить время переработки ТБО в сравнении с другими методами;
значительно сократить площади, занимаемые для переработки
ТБО;
произвести за счет сжигания ТБО тепловую и электрическую энергию.
Важным аспектом технологии сжигания является устойчивость работы энергетического оборудования в широком диапазоне влажности, морфологического состава, калорийности топлива.
В качестве источника энергии для добычи и транспортировки биогаза и других нужд полигона возможно применение ветроэнергетических станций (ВЭС). Полигоны твердых отходов, достигая высот в несколько десятков метров, значительно меняют рельеф местности и создают условия для более полного использования потенциала ветровой энергии. Эксплуатация ВЭС может продолжаться и после истощения газового потенциала ПТО. Такое комбинированное решение энергокомплекса избавляет от необходимости строительства дорогостоящих линий энергопередач, а также отчуждения земель для сооружения ВЭС. Подтверждено, что совмещение биогазовой установки и ВЭС в единый энергетический комплекс позволяет эффективно использовать потенциал местных энергетических ресурсов, а также уменьшить загрязнение окружающей среды.
Применение оптимальных энергетических технологий для переработки ТБО позволяет повысить эффективность использования естественных энергоресурсов, за счет более полного использования искусственно возобновляемых, решая одновременно задачу сохранения окружающей среды.