3.1. ИСТОЧНИКИ ПРОИСХОЖДЕНИЯ БИОМАССЫ

Человек издавна пользовался теплотой, которая выделяется при сжигании растений, для приготовления пищи и обогрева жилья. Позже он научился до-, бывать уголь, нефть, газ, т. е. ископаемые энергоресурсы органического про­исхождения, сформировавшиеся в течение десятков миллионов лет. В настоя­щее время они постепенно расходуются без восстановления.

Термин биомасса стал применяться в последние десятилетия. Под ним подразумевают все возобновляющиеся органические вещества растительного и животного происхождения. Возобновление органического вещества в расте­ниях обеспечивается путем фотосинтеза. При этом энергия фотонов солнечно­го света преобразуется в энергию возбужденных состояний электронов пиг­мента за счет электромагнитных процессов, а в итоге энергия аккумулируется в химических соединениях. В этих процессах не выполняется механическая работа, а только происходит перегруппировка электронных состояний, в ре­зультате чего создаются энергоемкие органические вещества. Связанная хи­мическая энергия может быть выделена при использовании различных термо - и биохимических процессов.

По существующим оценкам, энергосодержание ежегодного прироста биомассы на земле эквивалентно 3 • 1021 Дж, что в 10 раз превышает годовое потребление энергии человечеством.

На территории Республики Беларусь практически реализуемый энергети­ческий потенциал биомассы, включая отходы при лесозаготовках, в животно­водстве и растениеводстве, составляет 3,5 млн т у. т./год [43]. Но отдельные европейские страны значительно превышают этот уровень. Например, Дания, обеспечивает 5% энергобаланса за счет биомассы, и в перспективе намечено довести ее использование до 15%. Австрия, имеющая большие площади лесов, покрывает 26,7% энергобаланса, применяя биомассу. В Финляндии и Швеции 19% от общего потребления первичной энергии приходится на биомассу.

Основная часть биомассы формируется в лесах — до 68%, культивируе­мые сельскохозяйственные площади обеспечивают еще 8%.

Во всем мире биомасса удовлетворяет 14% потребляемой энергии. Ее до­ля в энергобалансе различных стран неодинакова. На развитые страны прихо­дится всего 3%. Европейская ассоциация по использованию биомассы АЕ - g[OM предлагает заменить обычное топливо ТЭС биомассой, увеличив ее использование с 74 млн т в 1995 г. до 182 млн т к 2010 г. В развивающихся го­сударствах биомасса обеспечивает в среднем 14% энергопотребления. Ряд стран Африки используют 80-95% биомассы в качестве энергоносителя. В Латинской Америке доля биомассы в виде топлива достигает 30-40%, в Ин­дии — 50% и т. д.

Различают первичную и вторичную биомассу. К первичной относятся растения, животные, микроорганизмы и т. д. Вторичная включает в себя отхо­ды при переработке первичной биомассы и продукты жизнедеятельности че­ловека и животных. Таким же образом на первичные и вторичные подразде­ляются отходы. В состав первичных включаются отходы первичной биомассы (отходы сахарного тростника, стебли кукурузы, солома, ботва, опилки, щепа, пни деревьев, спиртовая барда и т. д,). Вторичные состоят из продуктов фи­зиологического обмена животных и человека.

Рассмотрим источники формирования биомассы. Продукты леса, кото­рые можно безболезненно использовать в качестве биотоплива, состоят из погибших деревьев, отбраковки, отходов при заготовке. В биомассе отходов древесины содержится большое количество влаги до 50%. В процессе воз­душной сушки содержание влаги снижается до 20%. Древесные отходы имеют небольшое количество золы — 0,5-1,0%., в коре ее больше — 2-10%. Содержание азота до 1,5% и серы —■ 0,1%, т е. значительно ниже, чем в ка­менном угле. Теплота сгорания отходов лесозаготовки составляет 18000- 19000 кДж/кг, а отходы древесины (горбыль, кора) выделяют при сгорании 19000-22000 кДж/кг.

Сплошная вырубка леса около населенных пунктов приводит к обезлесц. ванию, которое затем трудно преодолеть. Такая картина наблюдается в трощ,. ческой зоне Латинской Америки, Африки, в некоторых странах Юго. Восточной Азии.

Вырубанию лесов есть альтернатива — лесные энергетические хозяйства Для таких хозяйств отводятся специальные участки. На них плотнее, чещ обычно, высаживаются саженцы быстрорастущих пород деревьев: тополя осинообразного, сосны ладанной, ивы, черной псевдоакации, ореха, эвкалипта и других. Выбор породы зависит от климатической зоны. В течение 5-6 лет осуществляется интенсивное выращивание деревьев с применением полива и внесением удобрений.

Выросшие деревья убираются, перерабатываются на щепу и подвергают­ся дальнейшей термохимический обработке. Прирост биомассы в 4-6 раз пре­вышает тот, который происходит в обычных лесах. Эксплуатация подобных хозяйств в США доказала их эффективность, достигающую 90-95%. В сере­дине 80-х годов проектировалось отвести под лесоводческие энергетические хозяйства более 20 тыс. га. Страны Европейского Союза располагают 20 млн гектаров сельскохозяйственных площадей, которые могут быть заняты подоб­ными плантациями в связи с достигнутой высокой урожайностью продоволь­ственных культур и сокращением площадей под ними.

В Швеции энергетические посадки ивовых деревьев организованы на 16 тыс. га болотных земель. Уборка ежегодного прироста древесины осуществ­ляется в зимнее время комбайнами, когда болота замерзают. Посадка ивы на площади 324 га с целью получения биомассы осуществлена в Великобритании в графстве Северный Йоркшир. Убранная биомасса служит топливом на ТЭС мощностью 10 МВт. Культивация ивы обусловлена тем, что при ее обрезке невысоко от земли растение начинает сильно куститься, давая большой при­рост биомассы. В Германии для производства биотоплива убирают камыш, урожайность которого достигает 40 т/га.

Важным источником биомассы является трава. Она произрастает на тер - ритории, сопоставимой с той, которую занимают на планете леса. Здесь также возможно культивировать быстрорастущие сорта (слоновая трава, камыш).

Злаковые растения, включая хлебные злаки, кукурузу, сладкое сорго и их отходы в виде соломы, стеблей, шелухи, уже в настоящее время имеют огром­ное энергетическое значение. США, например, располагают 240 млн т сухих остатков, Россия — 300 млн т, которые пригодны для переработки. По оцен­им, европейские страны способны выделить до 10 млн т зерна для энергети­ческих целей.

Безусловно, следует использовать сельхозпродукцию не в ущерб выпуску продуктов питания.

Большие возможности имеет сахарная промышленность для поставки энергетического сырья. Сюда входят и первичная биомасса в виде сахарного тростника, свеклы, и вторичная, т. е. обрезки, отжимки, патока. Европейские страны имеют возможность выделить до 20 млн т сахарной свеклы для энерге­тической конверсии.

Отходы животноводства и птицеводства также представляют значитель­ную долю энергетической биомассы. Их количество в России составляет 150 млн т в год, на Украине — 60 млн т в год, в США — до 1/4 всего объема орга­нических отходов, т. е. 250 млн т. Количество отходов животноводства и пти­цеводства в РЕ эквивалентно 0,9 Мт н. э. Если эти отходы не подвергать энер­гетической конверсии, то их накопление и хранение представляет серьезную экологическую угрозу. В Республике Беларусь уже бывали случаи прорыва отходов из хранилищ и загрязнения близлежащих рек и водоемов.

Твердые бытовые отходы городов образуются в расчете 0,5-1 кг в сутки на одного жителя. В США ежегодно накапливается 250 млн т, в России — 60 млн т, на Украине — до 13 млн т, в Республике Беларусь — 1,75 млн т. Их пе­реработка важна не только с энергетической, но и с экологической точки зре­ния.

Перспективны запасы биомассы, формируемой в мировом океане в виде водорослей.

Энергия, аккумулированная в первичной и вторичной биомассе, конвер­тируется в удобные для применения виды топлива с помощью различных тех­нологий термохимическими, биохимическими и агрохимическими методами. Отходы различных технологических процессов вновь используются для вы­ращивания биомассы.

Общая схема переработки биомассы в биотопливо и другие продукты изображена на рис. 3.1 [38].

Рынок сбыта 1.Получение тепла 2. Транспорт 3. Энергетические установки 4. Химия 6. Коммунальные услуги 1. Торговля