журналы подразделения новости подписка контакты home

архив
2001 год
2002 год
рубрики
РЕКЛАМА

ПРЕЗЕНТАЦИЯ

ГЛАВНЫЕ СОБЫТИЯ МЕСЯЦА

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА. Ядерная энергетика

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА. Собственность

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА. Регулирование

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА. Проекты

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА. Тенденции

ГАЗ И НЕФТЬ. Нефтерынок

ГАЗ И НЕФТЬ. Сектор газа

ГАЗ И НЕФТЬ. Конфликты

ГАЗ И НЕФТЬ. Проекты

ГАЗ И НЕФТЬ. Тенденции

УГОЛЬ

гостям
Агентство "Стандарт" предлагает вам подписаться на экномические журналы – лидеры в своей области.
























"ТЭК" – №8, 2002

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА. Тенденции

Биомасса: серьезный энергоресурс для Евроcоюза

Окончание, начало см. в "ТЭК" № 7

Отходы сельского и лесного хозяйства, наряду со специально выращиваемыми растениями, считаются в Европейском Союзе одним из самых перспективных источников энергии. Тенденция роста использования этих ресурсов, обычно называемых биомассой, позволяет рассчитывать на заметный их вклад в эффективное решение многих актуальных энергетических и экологических проблем, стоящих ныне перед странами ЕС.

6. Производство биогаза

6.1. Биологические процессы

Сельскохозяйственные культуры, выращиваемые как энергоресурсы, а также многие остатки и отходы сельского и лесного хозяйства и побочные продукты промышленного производства утилизируются, как правило, в виде твердых веществ, имеющих влажность в пределах от 10 до 90%. Их можно сжигать при условии снижения влажности по меньшей мере ниже 50%, а предпочтительнее – до 15%.В то же время предварительное превращение их в газообразное топливо дает множество преимуществ по сравнению с непосредственным сжиганием. Ведь теплотворная способность топлива тем выше, чем ниже в нем содержание кислорода. С другой стороны, газ может использоваться в горелках, в которых легко (механическим регулированием) удовлетворяются различные требования к скорости нагревания – от моментального до медленного.

Газ можно также использовать в двигателях внутреннего сгорания, турбинах и топливных элементах для эффективного производства электроэнергии. Его можно получать из биомассы, используя либо биологические процессы, например анаэробное (без доступа кислорода) брожение, либо термохимические процессы, например пиролиз и термическая газификация.

Анаэробное брожение представляет собой процесс, который протекает в отсутствие кислорода. Катализатором процесса является смешанная популяция бактерий, которая "разрывает" находящиеся в биомассе полимеры, в результате чего высвобождается биогаз, представляющий собой смесь углекислого газа с метаном. Биогаз может также содержать различные количества других газов, в том числе и сероводорода – высокотоксичного соединения, вызывающего коррозию некоторых металлов.

Анаэробное брожение представляет собой устоявшуюся и вполне рентабельную технологию. Однако надежные в эксплуатации термохимические установки, использующие биомассу для производства тепловой и электрической энергии в мегаватном диапазоне мощностей, все еще находятся в процессе технической разработки и поиска коммерчески целесообразных вариантов использования. В противоположность описанной ситуации, миллионы установок анаэробного брожения (широко известных под названием "биогазовая станция") были запущены в эксплуатацию по всему миру после того, как первые из них (использующие отстои сточных вод) были построены в Великобритании в конце прошлого столетия.

Пока что биогазовые станции вызывают весьма неоднозначное отношение со стороны их потенциальных покупателей, что объясняется присущими (некоторым установкам) техническими недостатками и весьма скромным экономическим эффектом, который можно объяснить малыми объемами производства биогаза. Гораздо больший коммерческий успех достигнут на крупных установках, сооруженных на сахарных, крахмало-паточных, молочных (производство сыров), овощеконсервных, мясоперерабатывающих, пивоваренных и спирто-водочных заводах. Эти установки обеспечивают первичную утилизацию отходов и вносят весомый вклад в энергообеспечение своих предприятий. Коммерческий успех также сопутствовал крупным "объединенным" бродильным системам в Дании. Эти установки работают на сырье, поставляемом с ферм и промышленных предприятий, и возвращают продукты брожения фермерам в виде удобрений, а также производят электрическую и тепловую энергию для обеспечения потребителей в пределах района или округа.

Хорошие условия для производства биогаза имеются также на мусорных свалках. В начале 1980-тых выделение биогаза из мусорных свалок и загрязнение грунтовых вод просачивающимся из них в грунт фильтратом создали серьезные проблемы для таких стран как Великобритания и Германия, поскольку размеры площадок, отведенных здесь для захоронения отходов, стали быстро расти. В результате объединения усилий этих стран и Европейского Союза в целом в сфере научно-технологических разработок, создания необходимой законодательной базы и осуществления технических нововведений в промышленности, указанные проблемы были в общем и целом решены, причем для этого были применены как облицовочные и прокладочные материалы, локализующие фильтрат мусорных свалок, так и средства улавливания выделяемого биогаза и использования его в качестве источника энергии.

6.2. Термохимические процессы

Для переработки биомассы применяются, главным образом, такие термохимические процессы как газификация и пиролиз. Протекание обоих процессов связано с нагреванием сырья в присутствии такого количества кислорода, которого не хватает для полного его сжигания. В результате образуется смесь газов, жидкость и обуглившиеся остатки. Выход этих материалов зависит от состава используемой биомассы, степени нагрева, максимально достигаемой температуры, способа взаимодействия выделяющихся газов с нагретым твердым веществом, количества воды (в парообразном состоянии) и присутствия (или же отсутствия) других веществ, которые могут действовать как катализаторы процесса. С одной стороны, процесс может быть оптимизирован с целью производства древесного угля, а с другой – производства смеси водорода и углекислого (синтетического) газа, пригодного для использования в каталитическом процессе образования жидкого топлива (метанола и других углеводородов).

Термины, относящиеся к газификации и пиролизу, – до некоторой степени взаимозаменяемы. Однако при этом существует возможность разграничивать эти процессы по способу получения тепла, используемого в собственно технологическом процессе. В случае газификации тепло образуется за счет частичного сгорания некоторой части сырья, в то время как для осуществления процесса пиролиза необходим подвод тепла от внешнего источника. Так как использование чистого кислорода обходится весьма дорого, в большинстве газификаторов применяют обычный воздух. К сожалению, это приводит к тому, что получаемый топливный газ (содержащий оксид углерода (угарный газ), водород, метан и углекислый газ) обладает пониженной теплотворной способностью, ибо разбавлен азотом. Вообще нагрев приводит к деструкции макромолекул компонентов (составляющих биомассу), сопровождающейся потерей молекул воды и целого ряда низкомолекулярных соединений (многие из которых обладают высокой реакционной способностью), и предопределяет тенденцию к образованию древесного угля (углерода). В результате реакции горячего древесного угля с водяным паром образуется смесь угарного газа и водорода, обладающая высокой теплотворной способностью. В то же время, многие низкомолекулярные соединения могут выноситься из зоны реакции и соединяться, превращаясь в смолу (деготь, гудрон, вар) по мере остывания. В дополнение к этим процессам, мелкие частицы золы и частично карбонизованной биомассы также могут быть унесены потоком образованного биогаза. Поэтому его необходимо очищать перед использованием в двигателях внутреннего сгорания или турбинах.

6.3. Очистка биогаза

Очистка биогаза представляет собой весьма критический процесс как в аспекте усройств сжигания, так и установок по газификации. Сегодня наблюдается острая потребность в сокращении выбросов топочных газов, снижении содержания опасных загрязнителей (таких как сероводород и меркаптаны) в биогазе и газах, выделяющихся на мусорных свалках, а также в очистке от твердых частиц и смол газов, образующихся в результате протекания термических процессов. Ныне в эксплуатации находится широкий спектр соответствующих технологий, в том числе:

- очистка газов водой и химическими растворами; фильтрация;

- электростатическое осаждение и использование циклонов для удаления твердых частиц;

- использование молекулярных сит и холодильных камер для удаления воды и других включений;

- использование оксидов железа, кальция и цинка, а также химических восстановителей для удаления серусодержащих соединений.

В частности, смолы можно расщеплять (подвергать крекингу) посредством пропускания газового потока в обратном направлении сквозь подстилающий слой газификатора, либо посредством последующего внешнего нагрева газового потока. Очистка газов в скруббере с помощью воды или различных патентованных жидкостей также используется для снижения выбросов углекислого газа. Правда, большинство перечисленных выше процессов, будучи коммерчески оправданными для крупномасштабных установок в нефтехимической промышленности, могут оказаться нерентабельными при использовании в небольших установках по производству биогаза.

6.4. Технические препятствия

Производство древесного угля представляет собой устоявшуюся технологию, также, впрочем, как и газификация ископаемых видов промышленного сырья. Однако возможность проектирования и создания надежных, оправдывающих затраты газификаторов для преобразования биомассы доказать значительно труднее. Проведено множество экспериментов с установками по производству биогаза, основанных на использовании воздуха или кислорода, движущегося вверх или вниз сквозь стационарный слой биомассы, при наличии или отсутствии катализаторов, с циркулирующим кипящим слоем и многостадийными процессами. Основные пути преодоления препятствий при создании надежных и рентабельных установок для производства биогаза таковы:

- повышение уровня качественных показателей биогаза в части снижения содержания смол;

- решение вопросов удаления золы;

- повышение уровня стабильности производства биогаза и его качества;

- устранение необходимости его очистки.

7. Жидкое биотопливо

Известно множество способов преобразования твердой биомассы в жидкое топливо, пригодное для сжигания в существующих топливных форсунках и двигателях внутреннего сгорания, используемых как на транспортных средствах, так и в производстве электроэнергии. Соответствующие технологии включают биохимическое преобразование биомассы в этанол и растительные масла, способные заменить обычное (произведенное из нефти) дизельное топливо, а также ряд термохимических способов, позволяющих получать широкий спектр жидких топлив, в том числе метанол и углеводороды, идентичные по своей химической структуре тем, которые образуются в процессе нефтепереработки.

7.1. Биоэтанол и дизельное биотопливо

Оба этих вида жидкого топлива можно коммерчески оправданно получать из традиционно возделываемых сельскохозяйственных культур. Производство биоэтанола включает четыре стадии: 1) приготовление субстрата (сахаридов); 2) брожение; 3) извлечение конечного продукта (обычно путем многостадийной ректификации, включающей стадию обезвоживания); и 4) переработка жидких отходов (кубового остатка) на последующих анаэробных и аэробных стадиях. Биодизельное топливо получают из растительного масла, отделяемого от семян с помощью винтового пресса или аналогичного устройства. Затем масло взаимодействует со спиртом (обычно с метанолом, но можно использовать и этанол) в присутствии катализатора реакции, что приводит к образованию сложных эфиров длинноцепочечных жирных кислот, а также глицерина как побочного продукта. В результате описанного процесса образуется также корм для животных в виде остаточной грубой массы семян.

7.2. Биоэтанол из лигноцеллюлозы

Известно множество видов легкодоступных и дешевых волокнистых (лигноцеллюлозных) остатков, состоящих из целлюлозы (полимера гексасахаридов) и гемицеллюлозы (содержащей как гексасахариды, так и пентасахариды). К настоящему времени разработано большое количество технологических процессов (в том числе и доведенных до стадии эксплуатации экспериментальных установок), позволяющих извлекать указанные сахариды из биомассы для последующего их использования в процессах брожения. К таким технологиям относятся, во-первых, процессы с участием разбавленных или концентрированных кислот, а во-вторых – биологических агентов (различных ферментов, получаемых из грибов или бактерий). В связи с тем, что улучшение экономических показателей процесса в целом определяется возможностью использования всех извлеченных сахаридов, дальнейшие исследования и разработки проводятся с целью идентификации и генетического преобразования организмов, способных усваивать пентасахариды.

7.3. Быстрый пиролиз и дизельное биотопливо

Быстрый пиролиз представляет собой высокотемпературный процесс быстрого нагрева частиц биомассы в отсутствие кислорода. Это приводит к тому, что биомасса разлагается с образованием газов, аэрозолей и смолы. После охлаждения и конденсации образуется темная вязкая жидкость, имеющая теплотворную способность примерно вдвое меньшую, чем у обычного дизельного топлива. Это дизельное биотопливо можно использовать вместо обычного в двигателях внутреннего сгорания либо же для производства тепловой и электрической энергии. Если его улучшить с помощью гидрогенизации или катализа, можно получить жидкое топливо, приближающееся по своим качественным характеристикам к топливу, получаемому из нефти, и использовать его в транспортных средствах с дизельными двигателями.

7.4. Современное состояние вопроса

Производство пищевого и технического этанола (с использованием сахаридов в качестве субстрата для процесса брожения) представляет собой с коммерческой точки зрения вполне оправданную технологию, которая широко распространена во всем миру, в том числе и в странах ЕС. В настоящее время сахариды, используемые для производства этанола в Европейском Союзе, получают из таких сельскохозяйственных культур как сахарная свекла или пшеница, а также из излишков картофеля и фруктов, в том числе и винограда. Вопросы производства способных к брожению сахаридов из древесных материалов (лигноцеллюлозы) и брожения пентозы (пентасахаридов) все еще требуют дальнейших исследований. Производство дизельного биотоплива (метиловых сложных эфиров или растительных масел) представляет собой испытанную и доказавшую свою пригодность технологию, воплощенную в мощностях по его производству в объеме нескольких сотен тысяч тонн в год только в странах Европейского Союза. Технология производства метанола и углеводородов из синтетического газа также широко распространена. Однако технология производства синтетического газа требуемого качества из биомассы все еще находится в процессе разработки, так же, впрочем, как и термохимического получения жидкого биотоплива методом быстрого пиролиза.

7.5. Технологические препятствия

Разработки надежного оборудования для различных стадий термохимического превращения биомассы все еще ждут того момента, когда будет продемонстрирована возможность непрерывного производства пиролизного масла или синтетического газа (для превращения его в жидкое топливо) требуемого качества. Синтетический газ должен быть очищен от свободного азота. Такая очистка требует либо использования кислорода (что весьма удоражает этот процесс), либо применения многостадийной технологии. Один из возможных вариантов состоит в том, чтобы производить древесный уголь традиционным способом, а уже затем обрабатывать его паром.

7.6. Препятствия нетехнологического характера

Основные препятствия на пути широкого использования биотоплива, особенно на транспорте, связаны с высокими издержками производства, отсутствием развитого рынка, нерешенностью вопросов организации движения товара от производителей к потребителям, недостаточным уровнем развития налоговой политики. С экономической точки зрения использование сельскохозяйственных культур при отсутствии механизма целевых субсидий не позволяет как биоэтанолу, так и дизельному биотопливу, реально конкурировать с обычными нефтепродуктами.

На современном топливном рынке существует весьма небольшая ниша для такого вида жидкого биотоплива как дизельное биотопливо. Наиболее вероятно, что жидкое топливо, получаемое из биомассы, сначала займет весьма узкую рыночную нишу – именно ту, где оно обладает преимуществами с экологической точки зрения, – или же вольется в общую структуру существующего рынка топлива в виде смеси с обычными видами топлива, а также в качестве присадок. В последнем случае требуется организация кооперации его производителей с крупными топливными компаниями.

В большинстве стран-членов Европейского Союза налогообложение моторных топлив представляет собой существенный источник дохода правительства и распространяется в ряде стран на все виды топлива, используемые дорожным транспортом, независимо от его происхождения. В настоящее время действует законодательство Европейского Союза, допускающее снижение налоговых ставок на жидкое биотопливо, произведенное на экспериментальных установках. Кроме того, поступают предложения о снижении налогообложения биотоплива. Однако до сих пор они еще не реализованы на практике.

7.7. Научные исследования и разработки

Проблема обеспечения Европы жидким топливом вызвала заметную обеспокоенность в конце 80-тых – начале 90-тых годов. В это время в рамках ЕС усиленную поддержку получили научно-исследовательские, опытно-конструкторские и экспериментальные работы по проблемам производства и использования этанола и метанола в качестве жидкого топлива. Проводились исследования по вопросам применения микроорганизмов, альтернативных традиционным, таких, например, как Zymomonas, по производству ацетона и бутанола с помощью анаэробных бактерий Clostridia, по использованию иммобилизованных клеточных систем, а также разрабатывался ряд проектов кислотного и энзимного гидролиза лигноцеллюлозы. Следует отметить, что эти исследования привели к заметному углублению понимания процесса гидролиза клеточных стенок растений, а также к выяснению природы и структуры сложной смеси ферментов, участвующих в процессе гидролиза. Эти работы были направлены, скорее, на определение ограничений, присущих подобным "природным" системам получения жидкого топлива, чем на выработку конкретных технологических решений. В настоящее время использование технологии рекомбинантной ДНК (генной инженерии) дало возможности для преодоления ограничений, присущих как энзимному гидролизу, так и ферментации пентозы, что послужило основанием считать эту область исследований заслуживающей поддержки в длительной перспективе. Значительные усилия в ЕС были предприняты в отношении технологии быстрого пиролиза, в том числе и со стороны коммерческих организаций, что привело к созданию ряда экспериментальных установок. Однако к настоящему времени "наилучший" вариант технологий пока еще четко не определен, так как большинство этих установок демонстрируют явные возможности для дальнейшего совершенствования и оптимизации.

Одно из преимуществ производимого жидкого биотоплива состоит в простоте его хранения и транспортировки. Однако химическая природа и физические свойства продуктов, объединенных этим названием, весьма сложны и изменчивы, а попытки их улучшения могут привести к значительным потерям в выходе продукции. В результате появились предположения, что в краткосрочной перспективе возможность утилизации продуктов промежуточных химических реакций пиролиза представляется более интересной с коммерческой точки зрения, чем производство жидкого топлива, и посему именно вопросы утилизации будут находиться в центре дальнейших исследований.

8. Политические аспекты использованиЯ биомассы как энергоресурсов

8.1. Национальная политика стран-членов Европейского Союза

Большинство стран-членов Европейского Союза в настоящее время выработали собственную национальную политику в отношении энергоресурсов, однако между ними наблюдаются различия в поддержке тех или иных направлений, а также касательно законодательства, стимулирования и рынков. Например, в Швеции около 25% общего производства энергии обеспечивается благодаря использованию возобновляемых энергоресурсов. Причем древесина и отходы применяются для производства тепловой энергии в местных масштабах. В Швеции также действует большая национальная программа научно-технологических исследований и разработок, направленная на решение проблем биотоплива и новых процессов производства этанола.

Дания имеет подробный план, целью которого является снижение на 20% выбросов в атмосферу углекислого газа к 2005 году, в том числе и за счет увеличения доли возобновляемых источников энергии в общем энергопроизводстве с 8% до 14%, причем особое внимание уделяется биомассе и "зеленой" электроэнергии.

Германия основное внимание уделяет защите климата и предполагает удвоить имеющийся на сегодняшний день 2%-ный уровень использования возобновляемых источников энергии. В поддержку начатой в 1999 году реформы "экологического" налогообложения, в 2000 году был принят закон о возобновляемых источниках энергии, устанавливающий порядок ценообразования на "зеленую" электроэнергию.

В Нидерландах имеется план пятикратного увеличения нынешнего 1%-ного вклада возобновляемых источников энергии в общее энергообеспечение страны, для чего осуществляется финансирование большой программы исследований и разработок в этой области.

В Португалии к настоящему времени уже наблюдается высокий уровень использования древесины для энергообеспечения, а также проводится активная политика, поддерживающая расширение использования возобновляемых источников энергии.

В Ирландии проведена приватизация энергетического сектора и ожидается, что к 2005 году возобновляемые источники энергии будут обеспечивать работу электрогенераторов суммарной мощностью более чем 500МВт.

Греция уже осуществила подобные мероприятия, которые привели к тому, что в течение нескольких лет в государственные учреждения поступило свыше 100 заявок с просьбой дать разрешение на производство энергии с помощью возобновляемых источников. Причем в этой стране 6% общего энергопотребления приходится на долю сжигания древесины для домашних нужд.

Великобритания взяла на вооружение новую стратегию, предусматривающую, в частности, принятие всеми лицензированными энергоснабжающими компаниями обязательств касательно определенной доли производства электроэнергии из возобновляемых источников. В стране выполняется программа исследований и разработок в поддержку развития и преодоления препятствий нетехнологического характера на пути расширения внедрения возобновляемых источников энергии.

В Финляндии уже более 20% общего производства энергии обеспечивается за счет отходов и побочных продуктов лесного хозяйства, а в Австрии (благодаря субсидиям и проведению исследований и разработок) 10% общего энергообеспечения обязано своим происхождением использованию биомассы (по большей части – это древесина, используемая для отопления).

В Италии выполняется национальный энергетический план, предусматривающий разработку законов, поощряющих производство электроэнергии с использованием возобновляемых источников, а также ввод в эксплуатацию энергоустановок суммарной мощностью более 3700 МВт.

Древесина также вносит большой вклад в обеспечение энергией индивидуальных потребителей в Испании и Франции, где правительства поставили цели касательно использования специфических возобновляемых источников энергии, в том числе и биомассы.

В ряде стран-членов Европейского Союза (особенно в Швеции, Финляндии, Австрии, Греции и Португалии) биомасса уже вносит заметный вклад в удовлетворение потребностей в энергии и рассматривается как важный фактор долгосрочной стратегии. Большинство других стран-членов Европейского Союза также используют биомассу и активно проводят политику по существенному увеличению масштабов ее использования. Применение возобновляемых источников энергии рассматривается ныне как один из наиболее многообещающих и надежных путей достижения целей по снижению выбросов "парниковых" газов согласно Киотскому протоколу.

8.2. Политика Европейского Союза

Европейский Союз инициировал "Кампанию взлета", направленную на постановку целей и содействие увеличению применения возобновляемых источников энергии посредством создания партнерских связей, проведения специализированных конференций, формирования общественного мнения. ЕС надеется, что такая деятельность поможет ему в достижении целей по снижению содержания углекислого газа в атмосфере, изложенных в Белой книге "Энергия будущего: возобновляемые источники энергии".

Принимая во внимание решающую роль энергии практически во всех сферах жизни современного общества, политику Европейского Союза в этой сфере следует рассматривать в более широком контексте, охватывающем также возможное изменение климата на планете и в регионе, удаление и утилизацию отходов, сельское хозяйство (общая согласованная сельскохозяйственная политика, включая вопросы поддержки выращивания и переработки непищевых сельскохозяйственных культур и использования земель государственного резерва), политику в отношении воздушной и водной среды, Единый европейский рынок, а также роль и место ЕС в мировой торговле. Учитывая все перечисленные выше обстоятельства, Европейская Комиссия провела анализ конкурентоспособности, защиты окружающей среды, надежности энергообеспечения, международных отношений в области энергетики, проблем повышения эффективности производства и использования энергии, в том числе из возобновляемых источников. Осознание все более широкими слоями общества того неоспоримого факта, что использование ископаемых видов топлива угрожает окружающей среде, а увеличение доли энергии, получаемой из возобновляемых источников, способствует промышленному развитию, росту занятости, сокращению импорта энергоносителей, успешному решению региональных проблем и экспорту высокотехнологичной продукции за пределы Европейского Союза – все это создает предпосылки для дальнейшего интенсивного развития "зеленой" энергетики ЕС.

Правда, вследствие разнообразия и сложности рынков и переплетения различных интересов внутри Европейского Союза, существует множество вариантов предлагаемых регулятивных и директивных документов, которые стимулировали бы использование биомассы и отходов применительно к различным рынкам. Очевидно, эти процессы будут в значительной степени определяться законодательством, нацеленным на сокращение отходов, и принятыми методами их обезвреживания, использования и захоронения. Предложения, касающиеся налоговых льгот и привилегий в отношении жидкого биотоплива для транспорта, являются в настоящее время предметом активных дискуссий. Это же можно сказать и о вопросах налогообложения ископаемых видов топлива, конкурирующих с возобновляемыми источниками энергии. Продолжающиеся изменения в сельскохозяйственной политике направлены на осуществление мероприятий по поддержке фермеров, намеревающихся выращивать растения, используемые в энергетике. В конечном счете, именно уровень инвестиций в развитие возобновляемых источников энергии определяет степень достижения целей в области использования биомассы в энергетике. Однако прогресс в этой области зависит также и от решений, принимаемых в иных сферах энергетической политики Евросоюза и его членов.

3 Лидия ШЕЙН,
по материалам Biomass: An Energy Resource for the European Union

 
© агенство "Стандарт"