Автомобильный газогенератор – технология будущего

…Топить печь нефтью-то же самое, что топить ее ассигнациями…

Д. И. Менделеев

Поиск альтернативных источников моторного топлива обращает взгляды водителей транспортных средств то к солнечной энергии, то к водороду. Но оглянитесь вокруг: горы древесных отходов и стога соломы − это наши неисчерпаемые «нефтяные и газовые скважины».

В статье подробно рассмотрены причины и перспективы развития технологий силового использования биомассы и методика их эффективного применения в России, особенно в аграрном и лесохозяйственном секторе. Проведен исторический анализ развития технологий использования биомассы в качестве топлива для транспортных средств и выделены основные тенденции развития отечественных технологий использования отходов биомассы в качестве моторного топлива для транспортных средств.

1. Краткое описание проблемы

Сегодня энергетические потребности человечества оцениваются в 11−12 млрд т. условного топлива (у. т.). Это составляет 12% энергии ежегодного прироста биомассы на земле. Удовлетворяются наши энергопотребности за счёт нефти и газа на 58−60%, угля − на 30%, гидро- и атомной энергии − на 10−12% и биомассы (!) на 1−2%.

Из них 4−4,5 млрд тонн у. т. в год необходимо для обеспечения топливом всех видов транспортных средств.

На фоне интенсивного роста спроса на горючее нефтяного происхождения совершенствуются и методы использования растительной биомассы в качестве моторного топлива. Это становится всё более и более экономически рентабельным по мере удорожания нефти, так как её ресурсы исчерпаемы.

По даным XIII Нефтяного конгресса (1991 г.), разведанные запасы нефти в мире оцениваются в 140−145 млрд т. (160 млрд м³.), которых при современном уровне ее потребления в мире может хватить лет на 30−35.

По отдельным регионам проблемы с запасами нефти стоят более остро. 70% её запасов находится на Ближнем и Дальнем Востоке, в Латинской Америке. На остальные регионы приходится 30%, из которых 18−20% перепадает на СНГ. Учитывая современный уровень добычи нефти, этих запасов может в СНГ хватить на 15−20 лет. Ресурсы ежегодно возобновимой растительной биомассы в 25 раз превышают добычу нефти. Площадь лесов земного шара равна 3067 млн гектаров. А ежегодный прирост биомассы растений на Земле состовляет от 170 до 200 млрд т. (в пересчёте на сухое вещество), что энергетически эквивалентно 80 млрд тонн нефти, поэтому в будущем предвидится существенное увеличение использования биомассы в силовых целях.

При численности населения 2,4% от мирового, Россия обладает 12% мировых запасов нефти, 35% газа, 16% угля, 4% урана и 29% мирового лесного фонда, что создает иллюзию невозможности у нас энергетического кризиса. Однако острейшие энергетические кризисы возникают в ряде регионов России. По данным Минтопэнерго, в России более 60% территории страны лишены централизованного электроснабжения. На этих удаленных территориях проживает 10% населения. Энергоснабжение таких населенных пунктов осуществляется в основном за счет привозного жидкого топлива, что крайне экономически не целесообразно, тем более, что в подавляющем большинстве это лесоизбыточные регионы, где идет интенсивная заготовка и переработка древесины. Ежегодно только на территории России продуцируется до 14−15 млрд т. биомассы, энергия которой эквивалентна примерно 6 млрд т. у. т. По оценкам экспертов в энергетических целях в Российской Федерации технически возможно уже сейчас ежегодно использовать до 800 млн т. древесной биомассы (неиспользуемая древесина на лесозаготовках) и до 400 млн т. (по сухому веществу) органических отходов, из которых 250 млн т. сельскохозяйственного происхождения, 70 млн т. лесной и деревообрабатывающей промышленности, 10 млн т. древесных и лиственных отходов (собираемых ежегодно в городах), 60 млн т. твердых бытовых отходов (преимущественно целлюлозно-бумажные изделия и пластмассы) и 10 млн т. прочих отходов (например, осадки коммунальных стоков и т. п.). Их переработка потенциально позволяет получить 350-400 млн т. у. т. в год и открыть до 50 000 новых рабочих мест.

Получение энергии из биомассы сегодня является одним из наиболее динамично развивающихся на-правлений во многих странах мира. Этому способствуют ее большой энергетический потенциал, возобновляемый характер и экобезопасность. Биомасса является СО₂-нейтральным топливом, т. е. потребление СО₂ из атмосферы в процессе роста биомассы соответствует эмиссии СО₂ в атмосферу при ее сжигании. Кроме того, деньги, выплаченные энергогенерирующими предприятиями за местное сырье, остаются в регионе и способствуют его экономическому развитию. То есть можно считать, что биомасса − это неиссякаемый источник оборотных средств, который активно «разрабаывается» во всем мире.

Как было отмечено выше, лесозаготовительные и лесоперерабатывающие предприятия являются основными производителями невостребованной биомассы в виде древесных остатков. Изучение лесорубочных остатков по Сибирскому региону показало, что при сплошной вырубке леса количество древесных отходов (ветви, сучья, хвоя, листья, кора, опилки, щепки, пни и вершины) на 1 гектар леса составляют в среднем 2 000 м³ или около 100 т. По отдельным видам они распределяются следующим образом:

Все эти остатки должны удаляться вывозкой, т. к. очистка лесов от них обуславливается необходимостью:

Очень часто для очистки леса отходы сжигаются на месте, на что тратятся весьма крупные средства и рабочее время без получения какой-либо полезной продукции.

Использование отходов лесозаготовки, а также отходов лесоперерабатывающих заводов (щепа, стружка и т. д.) возможно в виде чурок стандартных размеров (50×70×20) или в виде угля. Заготовка чурок из отходов может быть облегчена и упрощена применением весьма несложных и недорогих сучкорезных станков.

Кроме того, из отпада (хвои и листьев) возможно приготовление топливных брикетов. При ежегодном сборе отпада количество его составляет около 3 т. с 1 гектара. На приготовление 1 т. брикетов расходуется в среднем 1150 кг отпада. Брикеты имеют следующую характеристику:

Развитие технологий термохимической конверсии биомассы предполагает, что древесину будут собирать на топливо не только в существующих лесах, но и с так называемых «плантаций», которые должны быть специально созданы для выращивания быстрорастущих деревьев или кустарников. Эти мероприятия не только позволят повысить рентабельность фермерских хозяйств, но и создать новые рабочие места.

2. Анализ основных исследований и публикаций

Биомасса представляет собой древнейший источник энергии, однако её использование до недавнего времени сводилось к прямому сжиганию либо в открытых очагах, либо в печах и топках с весьма низким, в пределах 14−15%, КПД. Применяя более совершенные устройства, например, газогенераторы, имеющие наиболее высокое КПД (в пределах 75-90%) при относительно низкой их стоимости, можно не только сократить потребность в исходном топливе более чем в 5 раз, но соответственно снизить эмиссию СО₂ в атмосферу. Особенно это актуально для лесонедостаточных регионов России, где население активно заготавливает древесину для энергетических целей. Создание коммерчески доступных газогенераторов позволило бы значительно ослабить проблему произвольной вырубки деревьев в таких регионах.

Таблица 1

Сегодня биомасса составляет 15% общего потребления первичных энергоносителей в мире. В разви-вающихся странах этот показатель составляет 48%, а в промышленно развитых государствах − в среднем 2−3%. Прогноз мирового энергетического совета относительно вклада биомассы в энергетику будущего, наряду с другими нетрадиционными возобновляемыми источниками энергии (НВИЭ), приведен в таблице 1. Термин «силовая биомасса» подразумевает использование современных промышленных технологий получения энергии из биомассы (исключая ее бытовое использование для получения тепла и приготовления пищи). В соответствии с прогнозом доля биомассы составит 42−46% от общей доли НВИЭ в 2020 г.

При этом планируется, что 30% «силовой биомассы» будет использовано для производства тепла, 12,5% для совместного сжигания биомассы и угля и 32% для комбинированной выработки тепла и электроэнер-гии. Еще 26% силовой биомассы с энергетических плантаций предполагается использовать для производства жидкого топлива.

Зарубежные технологии выращивания энергетических плантаций (ивы, тополя и пр.) едва ли в ближай-шее время приживутся в России, т. к. для их реализации необходимы крупные инвестиции. Однако у нас значительный потенциал древесных отходов не используется. Но использование биомассы экономически рентабельно только в местах ее сосредоточения. Так же важен тот факт, что промышленные технологии энергетического использования биомассы не могут применять рассредоточенную по территории страны биомассу, на долю которой приходится до 80% от ее общего потенциала. Только местное население может использовать её для своих энергетических нужд в маломощных газогенераторах (30−200 кВт) транспортного типа.

В прошлом году технологии транспортных газогенераторов исполнилось 100 лет. В середине прошлого века технология силового использования биомассы достигла высокого уровня развития и применялась во всех сферах народного хозяйства. Транспортными газогенераторами оснащали: мотоциклы, легковые автомобили, трактора, грузовые автомобили, дрезины, автобусы, рыболовные суда, катера, баржи, железнодорожные составы и даже мотороллеры.

Сегодня использование транспортных газогенераторов экономически эффективно прежде всего в сельском хозяйстве, лесной и лесоперерабатывающей промышленности. Мировой парк транспортных средств, сосредоточенных в этих отраслях (трактора, комбайны, грейдеры и пр.) составляет 100−120 млн единиц. Особенно привлекательно использование газогенераторов в сельском хозяйстве, т. к. переход на горючее в виде сельскохозяйственных отходов сделал бы цены на сельскохозяйственную продукцию независимыми от цен на топливо нефтяного происхождения.

Несмотря на то, что применение газогенераторов на автомобильном транспорте имеет ряд несомненных преимуществ (экономических и экологических), в ближайшие 10 лет они едва ли получат широкое распространение. Причина этого, казалось бы, парадоксального вывода кроется в истории технического становления и развития технологии транспортных газогенераторов.

Современное состояние технологий термохимической конверсии биомассы для энергетических целей очень напоминает ее развитие в середине 30-х годов прошлого века. В то время так же, как и сейчас, широкое внедрение этой технологии субсидировалось правительствами различных стран. Разница заключается лишь в том, что тогда основной причиной интереса правительственных структур к развитию и широкому распространению транспортных газогенераторов служило желание сохранить энергетическую независимость от поставок топлива нефтяного происхождения. Сейчас же забота правительств о возобновляемой энергетике обусловлена требованиями Киотского договора и прогрессирующим удорожанием нефтепродуктов. Глубокий всесторонний анализ конструктивного развития транспортных газогенераторов прошлого позволит сегодня не только избежать повторения многих ошибок, но и прогнозировать развитие этой технологии в современных условиях динамического роста энергетических нужд человечества.

После бурного развития технологий твердотопливных стационарных газогенераторов в XIX веке, нашедших своё применение в самых разных областях промышленности, в 1900 г. Тейлором во Франции был построен первый транспортный газогенератор. Однако в начале прошлого века удобство и относительная дешевизна бензина полностью затмили использование твердого топлива в транспорте. Необходимость применения альтернативного топлива стала очевидной только во время Первой Мировой войны из-за ограничений в поставках бензина. Первое промышленное производство транспортных газогенераторов было налажено во Франции, а их промышленная апробация происходила в Касабланке (Марокко), когда автоклуб Марокко провел ряд соревнований, в которых принимали участие первые 5 газогенераторных тракторов и 5 газогенераторных грузовых автомобилей. Подобные соревнования проходили и во Франции, не имея, однако, большого успеха. В 1919 г. Георгом Имбертом (Франция) был построен газогенератор обратного процесса газификации, который произвел настоящий переворот в автомобильном газогенераторостроении и до сих пор остается самым значимым достижением этой технологии.

В 1921 г. Имберт приехал на автомобиле, оборудованном газогенератором своей конструкции, в Париж, преодолев расстояние в 500 км, что было большим достижением в то время. Это привлекло внимание, особенно со стороны военных ведомств, которые и инвестировали в дальнейшем развитие этой технологии. Однако в период с 1920 по 1939 г. удобство и дешевизна топлива нефтяного происхождения сделали применение автомобильных газогенераторов непопулярными среди конечных потребителей из-за сложности их обслуживания. Но европейские правительства продолжали поощрять и субсидировать использование транспортных газогенераторов. К 1930 году во всех европейских странах, владеющих достаточными ресурсами биомассы, данная технология активно развивалась, конкурируя с бензином. Но нужно признать, развитие технологии обуславливалось лишь правительственными субсидиями и льготами. Кроме того, Великобритания, Франция и Италия инициировали широкое использование транспортных газогенераторов в своих колониях. К 1923 году 25 различных типов автомобильных газогенераторов были коммерчески доступны во Франции. К 1929 году приблизительно 1880 газогенераторных транспортных средств ездили по французским дорогам, из которых 2/3 принадлежали французской армии.

Активное развитие технология автомобильных газогенераторов получила в 1936 году. Правительства большинства европейских стран в условиях политической нестабильности, предвидя возможность войны и стараясь обеспечить энергетическую безопасность своих государств, начали активно субсидировать развитие этой технологии…

Продолжение статьи читайте в следующем номере журнала.

Задать свои вопросы авторам вы можете по email: gasgen@mail.ru

А. А. САМЫЛИН