5.1. Основные способы преобразования энергии биотоплива

в электроэнергию

Одним из наиболее распространенных и универсальных жизне­обеспечивающих ресурсов человечества является биомасса. Биомасса образуется в процессе фотосинтеза - химической реакции, протекаю­щей в растениях под воздействием солнечного излучения. В результате образуются органические вещества, которые используются в качестве пищи, для получения строительных материалов, тканей и многих дру­гих вещей.

Среди всех многочисленных областей применения биомассы, не­обходимо отметить ее энергетическую ценность. Из органического топ­лива можно легко получить тепловую и электрическую энергию. По­тенциал этого энергоресурса огромен: ежегодно на Земле образуется около 120 млрд. т сухого органического вещества, что эквивалентно 40 млрд. т нефти. Сегодняшний мировой уровень потребления меньше названной величины в 10 раз [71].

С точки зрения химического состава и процесса образования тра­диционные виды топлива - уголь, нефть, газ также можно отнести к биомассе, но процесс ее образования исчисляется миллионами лет. По­этому ископаемое органическое вещество нельзя отнести к возобнов­ляемым источникам энергии. Время образования биомассы раститель­ного происхождения, в зависимости от ее вида, может меняться от не­скольких месяцев до нескольких десятилетий.

Большой энергетический потенциал и возобновляемый характер стимулируют развитие технологий получения энергии из биомассы. Се­годня использование биомассы в энергетических целях является одной из наиболее динамично развивающихся отраслей возобновляемой энер­гетики. В странах ЕС доля энергии, получаемой из биомассы, достигает 55 % от всей энергии, вырабатываемой с использованием возобновляе­мых энергоресурсов [71]. Наиболее эффективно энергия биомассы ис­пользуется в Португалии, Испании, Франции, Германии, Дании, Ита­лии. Такие страны как Швеция и Австрия обеспечивают до 15 % по­требности в первичных энергоносителях за счет биомассы. В США се­годня общая установленная мощность электростанций, использующих биомассу, составляет более 9000 МВт, что эквивалентно суммарной мощности атомных электростанций. Для многих развивающихся стран Азии и Африки биомасса сегодня является основным источником энер­гии. В среднем, в этих странах биомасса обеспечивает 38 % энергетиче­ских потребностей, а в некоторых, например, Непале и Кении - бо­лее 90 %.

В зависимости от разновидностей биомассы возможны различные технологии ее энергетического использования. Выделяют следующие группы источников биомассы [72]:

- древесина, древесные отходы, торф, листья и т. п.;

- отходы жизнедеятельности людей, включая производственную деятельность;

- отходы сельскохозяйственного производства;

- специально выращиваемые высокоурожайные агрокультуры.

Для использования в энергетических целях сухой биомассы наи­более эффективны термохимические технологии (прямое сжигание, га­зификация, пиролиз и др.).

Для влажной биомассы применяются биохимические технологии переработки с получением биогаза (анаэробное разложение органиче­ского сырья) или жидких топлив (процессы сбраживания).

Следует отметить, что энергетическая плотность биомассы значи­тельно меньше, чем у угля и нефти, поэтому ее транспортировка на зна­чительные расстояния для получения энергии экономически не выгод­на. Большинство видов биомассы не пригодно для длительного хране­ния из-за быстрого разложения. Соответственно технологии энергети­ческого преобразования биомассы подразделяются на технологии непо­средственного получения энергии из биомассы и технологии ее перера­ботки с целью последующего использования.

Древнейшей технологией получения энергии является прямое сжигание древесины. Тепло, получаемое при сжигании биомассы, мо­жет использоваться для отопления и горячего водоснабжения, для про­изводства пара и электроэнергии. Использование открытого пламени характеризуется низкой эффективностью энергопреобразования. Значи­тельно эффективнее сжигать биомассу в специальных котлах. Хорошие котлы характеризуются коэффициентом полезного действия 80.. .90 %.

В последние годы для утилизации древесных отходов разработа­ны специальные топочные устройства, обеспечивающие высокие энер­гетические и экологические характеристики котлов. В частности, широ­ко применяются топки низкотемпературного кипящего слоя, позволяю­щие сжигать биомассу влажностью 60 и более процентов. Для сжигания измельченных древесных и растительных отходов эффективны вихре­вые топки.

Наиболее перспективным направлением развития технологии сжигания биомассы является применение котлов с автоматической за­грузкой топлива. Такие котлы характеризуются значительно меньшими эксплуатационными расходами и более высокой энергоэффективно­стью.

Для автоматических котлов необходимо специальное дополни­тельное оборудование для подготовки топлива: древесной щепы, гранул или брикетов с определенной степенью влажности. В процессе перера­ботки первичной биомассы топливо становится более энергоемким и менее объемным. В частности, теплотворная способность топливных брикетов, в сравнении с другими видами топлива, приведена в табли­це 13.

Таблица 13

Вид топлива	Теплотворная способность, ккал/кГ
Древесина (влажная)	2450
Древесина (сухая)	2930
Бурый уголь	3910
Брикеты из древесных отходов	4400
Черный уголь	4900

3

Насыпная масса опилок составляет 150...200 кГ/м, а насыпная масса брикетов из них влажностью 15 % - 460 кГ/м.

Одной из самых перспективных технологий переработки древес­ных отходов сегодня является изготовление топливных гранул - пеллет. Пеллеты - это нормированное цилиндрическое прессованное изделие из высушенной измельченной древесины. За счет высокого давления при прессовании гранулы не содержат химических закрепителей.

Такой энергоноситель весьма эффективен и отвечает всем эколо­гическим требованиям.

Сравнительные характеристики пеллет с другими видами топлива приведены в таблице 14 [73].

Очевидные достоинства топливных гранул делают этот вид топ­лива одним из самых востребованных в мире. Тонна пеллет продается в Европе по цене от 80 Евро и выше. Наибольшее распространение топ­ливные гранулы получили в Дании, Швеции, Австрии, Германии, Япо­нии, Норвегии и Финляндии. Ежегодный рост производства гранул в Европе составляет около 30 %. Дания уже обеспечивает половину всей вырабатываемой в стране энергии за счет биологического топлива [73].

Таблица 14 Вид топлива Теплота сгорания, МДж/кг МДж/м3 % серы % золы Углекислый газ, кГ/ГДж Дизельное топливо 42,5 0,2 1 78 Мазут 42 1,2 1,5 78 Природный газ 35-38 0 0 57 Каменный уголь 15-25 1-3 10-35 60 Гранулы древесные 17,5 0,1 1 0 Гранулы из соломы 14,5 0,2 4 0 Гранулы торфяные 10 0 4-20 70 Щепа древесная 10 0 1 0 Опилки древесные 10 0 1 0

Интерес к данному виду топлива начал расти и в России. По мате­риалам журнала «Биоэнергетика» сегодня в стране насчитывается около 30 производителей топливных гранул и 15 производителей топливных брикетов.

Автоматизированные котлы, производящие пар, позволяют стро­ить достаточно дешевые пароэлектростанции. Известны различные кон­струкции паровых машин пригодных для привода электрогенераторов. С точки зрения дешевизны энергетического оборудования интересны предложения ряда фирм по конверсии обычных двигателей внутреннего сгорания (например, автомобильных) в паровую машину. По данным Мытищенского электромеханического завода более 90 % деталей паро­вых машин соответствуют исходным деталям конвертируемого двига­теля. Стоимость паровых электростанций в ценах 2000 года составляет около 80 тыс. р. за установку мощностью 12 кВт и 120 тыс. р. за стан­цию мощностью 30 кВт.

Более совершенной, хотя и известной с древнейших времен, тех­нологией энергетического использования биомассы является пиролиз. Пиролиз представляет собой процесс термохимической обработки био­массы без доступа кислорода при относительно низких температурах - от 300 до 800о С. В результате удаления летучей фракции получается древесный уголь, который имеет энергетическую плотность в два раза большую, чем исходный материал при более высокой температуре сго­рания. Древесный уголь используется в качестве топлива, а также для технологических нужд в металлургической, электроугольной, фармако­логической промышленности.

Жидкие и газообразные продукты пиролиза являются, в свою оче­редь, ценными энергоносителями. Метан, являющийся основной газо­образной составляющей процесса пиролиза, может использоваться для производства электроэнергии с помощью газодизельных или газотур­бинных электростанций. Выход газообразного топлива может достигать 70% массы сухого сырья при высокотемпературном быстром пиролизе. Жидкие продукты пиролиза также могут использоваться как жидкое то­пливо с теплотой сгорания 20...25 МДж/кГ. Выход пиротоплива может достигать 80 % массы сухого сырья при быстром низкотемпературном пиролизе. Пиротопливо может использоваться в качестве заменителя котельного топлива. Имеется опыт его использования в газовых турби­нах и дизельных двигателях [74].

Использование биомассы через преобразование ее в пиротопливо имеет ряд преимуществ.

1. Установка для получения жидкого топлива может быть не при­вязана к потребителю в силу значительно более низких транспортных затрат на биотопливо по сравнению с исходным сырьем.

2. Процесс пиролиза энергетически независим, так как позволяет использовать твердые и газообразные продукты для получения тепла, необходимого для самого процесса и сушки биомассы.

3. Возможность хранения пиротоплива.

4. Возможность эффективного использования пиротоплива в су­ществующих котлах.

5. Низкий уровень выбросов загрязняющих веществ в атмосферу по сравнению с прямым сжиганием биомассы.

К факторам, ограничивающим возможности практического ис­пользования пиролиза, относятся следующие.

1. Критичность к влажности исходного сырья, что требует его предварительной сушки.

2. Критичность к размерам частиц биомассы. Это достаточно до­рогостоящее требование, для выполнения которого необходимо специ­альное оборудование.

3. Необходимость предварительной обработки исходного сырья - кислотная промывка, для увеличения выхода жидкого топлива.

4. Высокие теплотехнические требования к реактору.

5. Ограниченный выбор серийного оборудования для технологии пиролиза на сегодняшний день.

В качестве примера практического использования технологии пи­ролиза для получения биодизельного топлива можно привести разра­ботку Всероссийского научно-исследовательского института электри­фикации сельского хозяйства [75]. Структура энергоустановки показана на рис. 65.

Установка включает в свой состав накопитель 1, транспортирую­щее 2 и дозирующее 3 устройства, блок пиролиза 4, фильтр 5, разде­ляющий газообразную и твердую фазы, конденсаторы 6 и 7 и емкость для хранения жидкого биотоплива 8. Установка может работать за счет сжигания продуктов переработки сырья. Затраты энергии состав­ляют 5-12 % от энергии производимого топлива. При переработке дре­весных опилок из 2 тонн сырья в сутки получается 1.. .1,2 тонны жидко­го и газообразного топлива.

Большее распространение получила технология газификации биомассы, основанная на сжигании древесины в условиях отсутствия или недостатка кислорода. Под воздействием тепла разрываются хими­ческие связи в молекулах сложных углеводородов, содержащихся в древесине, в результате чего образуются метан, метиловый газ, водород, углекислый и угарный газы, древесный спирт, углерод, вода и многие малые добавки. Количество метана может доходить до 25 % [76]. Метан имеет высокую теплотворную способность и может использоваться вместо природного газа. Метиловый газ может сжигаться, непо­средственно, или после превращения, в метанол, который представляет собой высококачественное синтетическое жидкое топливо, пригодное для использования в двигателях внутреннего сгорания.

Рис. 65. Структурная схема энергоустановки

Богатый практический опыт использования технологии газифика­ции древесины для производства топлива получен во время мировой войны, когда около миллиона автомобилей приводились в движение с помощью газификаторов на биомассе.

Электростанции с установками газификации биомассы имеют КПД в 2 раза выше, чем паровые электростанции, что также способст­вует их широкому практическому применению.

Благодаря технологии газификации, после которой древесина полностью превращается в газ и золу, используемую как улучшитель почвы, а также тому, что установки для сушки щепы используют тепло выхлопных газов генерирующего модуля, являясь фильтром для очист­ки выхлопных газов, газогенераторные электростанции обладают хоро - тттими экологическими характеристиками. Биотопливо не приводит к возрастанию СО2 и SO2 в атмосфере, увеличению парникового эффекта и глобальному изменению климата.

К другим преимуществам газификации относится высокий энер­гетический КПД, достигающий 95 % и широкие возможности выбора оборудования для дальнейшего энергопреобразования получаемого газа и тепла: газопоршневые и газотурбинные электростанции, паровые или водяные котлы и др.

Газогенераторные электростанции на древесных отходах биомас­сы единичной мощностью от 10 до 600 кВт электрической энергии ис­пользуют технологию газификации измельченных отходов с влажно­стью менее 20 %. Модули газификации построены на основе газогене­раторов с нисходящим потоком генераторного газа. Газ после подготов­ки имеет калорийность 1000... 1100 Ккал/м. Для выработки электро­энергии полученный газ используется в качестве топлива в одном или нескольких модулях генерации на базе газодизельных двигателей, рабо­тающих на смеси генераторного газа (70.85 %) и обычного дизельного топлива (15.30 %), или на базе газовых двигателей, работающих на 100%-ом генераторном газе (рис. 66).

Модуль _____ Модуль _____________ Модуль подготовки газификации генерации топлива

Рис. 66. Общая структура газогенераторной электростанции

Модули газификации комплектуются газогенераторами, рабо­тающими на древесных отходах, измельченных в энергетическую щепу длиной от 10 до 150 мм и толщиной от 10 до 100 мм, к которой допус­кается добавление до 10.15 % опилок. При использовании опилок по­требление топлива увеличивается на 20 % по сравнению с твердыми древесными отходами. Топливо подается в газогенератор с помощью автоматического скипового подъемника.

Для получения топлива с нужными характеристиками электро­станция комплектуется модулем подготовки топлива, главными элемен­тами которого являются одна или несколько рубильных машин для пре­вращения древесных отходов в энергетическую щепу и одна или не­сколько сушилок для щепы, производительность которых соответствует мощности установленных модулей газификации. Если отходы и без подготовки имеют допустимые размеры и влажность, то ненужные компоненты модуля подготовки топлива исключаются. Общая структу­ра газогенераторной электростанции показана на рис. 66.

Станции с генерирующими модулями на основе газодизельных двигателей требуют меньших капитальных затрат, чем станции с газо­выми двигателями. Газодизельные двигатели позволяют эксплуатиро­вать станции в режиме 100 % дизельного топлива, когда по каким-то причинам отсутствуют древесные отходы или же газогенератор оста­новлен для проведения профилактических работ. С другой стороны, станции с генерирующими модулями на основе газовых двигателей тре­буют минимальных затрат на стадии эксплуатации и позволяют генери­ровать электроэнергию по цене, которая остается неизменной в течение всего срока эксплуатации, так как она не зависит от колебаний стоимо­сти дизельного топлива.

Для использования в энергетических целях влажной биомассы - животноводческих отходов используется технология анатробного сбра­живания. Как и в случае пиролиза, процесс происходит при отсутствии воздуха, однако разложение сырья происходит под воздействием бакте­рий, а не высоких температур.

Получаемый в процессе брожения биогаз содержит 60...70 % ме­тана, 30...40 % двуокиси углерода, небольшое количество сероводоро­да, примеси водорода, аммиака и окислов азота.

Процесс сбраживания может занимать от 10 дней до нескольких недель. В процессе сбраживания выделятся тепло, однако в условиях холодного климата необходим дополнительный подогрев для поддер­жания оптимальной температуры около 35о С. Источником тепла может быть производимый биогаз. Остаток, образующийся в процессе полу­чения биогаза, может использоваться в качестве удобрения в сельском хозяйстве.

Довольно распространенной технологией сегодня становится про­изводство биотоплива из специально выращиваемых сельскохозяйст­венных культур: рапс, соя, подсолнечник и др. Наиболее распростране­ны два вида топлива: биоэтанол и биодизель.

Биоэтанол производится по технологии получения обычного пи­щевого спирта. Этанол является спиртовым топливом, которое может использоваться в двигателях внутреннего сгорания либо в чистом виде, либо в качестве добавки к бензину. В качестве сырья могут использо­ваться многие доступные растительные культуры: картофель, свекла, кукуруза и др.

Мировым лидером по производству этанола является Бразилия, в которой более 600 заводов производят 16,5 миллиардов литров этанола в год. По данным Международного энергетического агентства, за чет­верть века производство этанола в мире выросло в 8 раз, причем дина­мика роста соответствует росту цен на нефть.

Биодизель - это эфиры растительных масел или животных жиров, получаемых в результате химической реакции масла или жира с мети­ловым или этиловым спиртом.

Технология получения биодизеля довольно проста и доступна в условиях любого предприятия или фермерского хозяйства. Основным сырьем для его производства в Европе является рапс, в США и Южной Америке - соя [70]. Любое растительное масло может служить исход­ным сырьем для получения биотоплива, которое получается при заме­щении в масле глицерина на спирт. Из одной тонны растительного мас­ла и 111 кг спирта (в присутствии 12 кг катализатора) получается 970 кг (1100 л) биодизеля и 153 кг первичного глицерина [78].

Биодизельное топливо получило распространение во многих странах Европы и Америки. Объемы производства биодизеля в Европе достигли 6 млн. тонн в 2006 году, что на 44 % больше чем в 2005 году.