Энергия мискантуса

Дешевой нефти не будет!

Ископаемое топливо тянуло человечество вперед по пути прогресса с начала XIX века. Несмотря на смену «короля горы» (в разное время это были уголь, нефть, газ, уран), постоянно находились новые виды топлива, которые позволяли снова и снова наращивать объемы потребления энергии. Но ситуация разительно изменилась за последнее десятилетие.

Рис. 1. Miscanthus sinensis формы Giganteus

Отсюда вывод: дешевой нефти не будет. Много нефти не будет тоже, поэтому покупайте велосипеды! «Почему же сейчас? - спросит недоверчивый читатель. - Разве нельзя найти новый источник ископаемого топлива или новые месторождения традиционных его видов?» Ответ прост и заключен в самой формуле топлива: оно ископаемое, то есть природа его запасала миллионами лет, а расходовать его люди хотят за столетия или даже десятилетия. Кроме того, «ископаемость» топлива предполагает немалые затраты на его извлечение из недр, окупаемые лишь малым содержанием пустой породы. Рассмотрим для сравнения угольный пласт толщиной 1 м (это очень небольшой пласт, часто нерентабельный при нынешних ценах на уголь) и поле многолетней травы. Нетрудно просчитать, что при плотности горной породы 2,5 т/м³ на площади 1 га под землей лежат 25 тыс. т угля, или 207 тыс. Гкал энергии. Поле многолетней травы, например, мискантуса (рис. 1), дает на площади 1 га 20 т биомассы, или всего лишь 84 Гкал энергии. Безусловно, угольный пласт невозможно извлечь полностью. Но даже если мы уменьшим объем угля в рассматриваемом пласте в два раза, то концентрированность ископаемого топлива все равно будет в 1000 раз выше, чем концентрированность биотоплива. Поэтому для рассмотрения новых источников ископаемого топлива необходимо оценивать не только общий объем такого источника, но и степень концентрированности и доступности этого вида ископаемого топлива.

Вооружившись таким подходом, оценим те варианты, которые предлагаются сейчас в качестве замены традиционным нефти и газу. Этих альтернатив не так уж много: полярная нефть, глубоководная нефть, нефтеносные сланцы (тяжелая и сверхтяжелая нефть), угольный газ и сланцевый газ (нетрадиционные виды газа). Запасы этих альтернативных видов в сравнении с традиционными нефтью и газом можно оценить по данным, приведенным на графике (рис. 2). Даже с точки зрения абсолютных объемов добычи они не могут претендовать на сколь­нибудь серьезную альтернативу традиционным видам топлива.

Энергия из растений: за и против

Быстрое развитие промышленности приводит ко все большему загрязнению окружающей среды. Ему подвергаются воздух, вода и почва, которая деградирует. Очень опасны для людей и животных загрязнения окружающей среды тяжелыми металлами, такими как олово (Pb), кадмий (Сd), цинк (Zn), медь (Cu), хром (Cr), токсинами. Так, в результате Чернобыльской катастрофы в России радиационному заражению подверглось около 6 млн га земель, из которых более половины приходится на сельскохозяйственные угодья.

На загрязненных территориях невозможно выращивание культур пищевого назначения и ограничено выращивание кормовых культур. Эти территории нуждаются в рекультивации, в чем может помочь выращивание растений для промышленных или энергетических целей. Такой способ рекультивации приведет к систематическому снижению уровня загрязнения территории.

Другая угроза окружающей среде со стороны промышленности, главным образом топливно­энергетической, - выброс в атмосферу большого количества СО₂. Следствие этого - усугубление так называемого парникового эффекта. В мировом масштабе главным абсорбентом СО₂ являются растения. Выращивание новых растений, которые интенсивно связывают углекислый газ и дают высокий урожай биомассы для энергетических целей, позволило бы значительно уменьшить эмиссию СО₂.

Постоянно растущая рентабельность выращивания растений для энергетических целей привлекает внимание все большего количества земледельцев. Но у этой медали есть и другая сторона. Возьмем, к примеру, рапс.

 Сегодня это одна из основных культур для производства биодизеля. С каждым годом сельхозплощади, отводимые под выращивание рапса, увеличиваются. По данным Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН, в сезоне 2003-2004 годов было собрано 36 млн т семян рапса, в 2004-2005 годах - 46 млн т, а в 2008-2009 сельскохозяйственном году - уже 58 млн т. В 2005 году под рапс было отведено 264 тыс. км², что составляет около 2% мировой площади пашни.

Но рапс весьма требователен к плодородию почвы, а после нескольких лет его культивирования он сильно ее истощает, делая непригодной для выращивания продовольственных культур.

Таким образом, увеличение площади сельхозземель под выращивание некоторых энергетических культур может привести, с одной стороны, к уменьшению площадей под продовольственные культуры, с другой - к сокращению площади самих земель сельскохозяйственного назначения, пригодных для выращивания продовольственных культур. А отсюда неизбежный рост цен на продукты питания.

Еврокомиссия подготовила проект закона о запрещении импорта в Евросоюз ряда сортов растений, используемых для биотоплива, производство которого имеет неблагоприятное воздействие на природу, землю и климат.

Запрету на импорт также подлежат марки биотоплива, требующие для его выработки значительных энергетических затрат.

В эти энергозатраты входит также энергия, потраченная на производство удобрений для выращивания тех сортов растений, из которых в дальнейшем получают альтернативное топливо.

Необходим поиск таких культур, которые бы при незначительных затратах давали бы максимальный выход биомассы на протяжении длительного времени, не оказывая при этом пагубного воздействия на то место, где они выращиваются, и на экосистему в целом. При этом предпочтительно, чтобы имелась возможность использования земель, выведенных из сельскохозяйственного использования.

Биомасса как источник энергии

Рис. 3. Быстрорастущая плантация тополя в Европе

К возобновляемым источникам энергии относятся четыре группы растений: древесные растения быстрой ротации (тополь, ива, эвкалипт); быстрорастущие многолетние травянистые растения (мискантус, тростник гигантский, шнур­трава); многолетние двухдольные растения (горец сахалинский); однолетние растения (сорго).

В ряде стран мира накоплен интересный опыт культивирования растений первой группы. Среди быстрорастущих пород древесины первое место принадлежит тополю, который за быстроту роста и скороспелость называют «эвкалиптом севера». В 2004 году был полностью расшифрован геном американского бальзамического тополя (бот. Populus balsamifera). Благодаря этому были выведены высокопродуктивные и ценные по качествам сорта тополя для коммерческого использования. В ряде регионов становится возможной успешная организация быстрорастущих тополевых плантаций (рис. 3), которые позволят выращивать большие объемы древесины на единице площади с получением среднегодового прироста 30-40 м³/га. В Швеции на быстрорастущих энергетических плантациях годичный прирост деревца тополя достигает 1,5 м при средней плотности до 0,45 г/см³. В Америке этот показатель доходит до 1,75 м при средней плотности до 0,49 г/см³, а в России годичный прирост деревца селекционной культуры может достигать до 1,9 м при средней плотности до 0,51 г/см³. В настоящее время в ЕС, США, Канаде и Китае проводятся полевые испытания генетически модифицированного тополя с целью повышения качества древесины, устойчивости ее к вредителям и усвоения и накопления тяжелых металлов для санации почвы.

Таблица 1. Энергетическая
стоимость сжигания биомассы
мискантуса в сравнении с
другими видами топлива

Но при всей привлекательности тополя и подобных быстрорастущих пород древесины, у них есть недостатки, снижающие эффективность их разведения для энергетических целей. Среди них, как мы уже упомянули, подверженность насаждений повреждению насекомыми. Это не только значительно снижает скорость прироста биомассы, но и меняет ее товарные и энергетические характеристики в худшую сторону.

Минимальная продолжительность цикла, то есть время между сборами биомассы на одном участке,  - три года (с получением минимально доступного объема биомассы). Кроме того, как все мы хорошо знаем, у тополя есть одна неприятная черта - так называемый тополиный пух, который чрезвычайно пожароопасен и способен вызывать сильнейшие аллергические реакции у людей.

Если вы высадили быстрорастущие деревья на энергетической плантации (подробнее об энергоплантациях ниже), то должны помнить, что после сбора биомассы потребуется энергоемкая и дорогостоящая операция по выкорчевке пней и подготовке грунта под следующую высадку саженцев. Кроме того, чтобы получать хороший годовой прирост биомассы, необходимо регулярно проводить рубки ухода и санитарные рубки плантации. А это, понятное дело, затраты, которых хотелось бы избежать.

В силу указанных выше причин, некоторые ученые, занимающиеся вопросами биоэнергетики и энергетических плантаций, обратили внимание на быстрорастущие многолетние травянистые растения, в частности мискантус гигантеус, который также обеспечивает высокую урожайность биомассы, имеет хорошую энергетическую стоимость (табл. 1) и при этом не предъявляет высокие требования к условиям выращивания.

Открыть и закрыть ворота

Рис. 4. Корневая система (ризома) мискантуса на
втором году роста

Латинское название рода Miscanthus sinensis формы Giganteus происходит от греческих слов «мискос» - черешок и «антос» - цветок и связано со способом прикрепления колосков у растения. Англичане называют мискантус культурой «открыть и закрыть ворота» - просто выходишь в поле, собираешь его в тюки, а затем «закрываешь ворота» на 12 месяцев, не неся расходов на выращивание. После высадки корневищ (рис. 4), мискантус гигантеус может расти на одном месте более 20 лет, ежегодно давая урожай биомассы.

Одно из очень важных достоинств мискантуса в сравнении с другими энергетическими культурами (например, ивой) - позитивный энергетический баланс и позитивный баланс гумуса. После четырех лет выращивания на 1 га он накапливает 15-20 т подземной биомассы, которая эквивалентна 7-9 т/га углерода. Урожай надземной биомассы до 20 т/га может обеспечить столько же энергии, сколько производится из 12 т угля. При этом мискантус не слишком требователен к качеству почвы. В результате проведенных нами семилетних исследований установлено, что при выращивании мискантуса содержание гумуса в почве не уменьшается. Уже после пятого года жизни наблюдается пусть и незначительное (0,1-0,2%), но увеличение содержания гумуса.

Благодаря разветвленной корневой системе растение можно выращивать на малоплодородных почвах. Корни достигают 2,5 м в глубину, благодаря чему растение легко потребляет питательные вещества и воду. Такая корневая система позволяет выращивать мискантус на землях, которые в настоящее время не используются, например, на подвергшихся радиационному загрязнению, на которых ограничено выращивание продовольственных культур.

Одно из достоинств травы мискантус гигантеус - низкие требования к внесению удобрений. Азота ей необходимо меньше, чем другим многолетним и однолетним травам. Высокая эффективность использования азота является главным образом результатом его перемещения в стебли весной и в ризомы (корневища) - под конец вегетации.

Учитывая многолетний характер плантации, для ее возделывания можно использовать органическое удобрение. Максимальная доза - 30 м³/га, что соответствует 180 кг азота, 75 кг фосфора, 150 кг калия и 30 кг магния. В условиях Европы мискантус демонстрирует повышенную стойкость к болезням и вредителям, поэтому не нужно проводить фитосанитарную обработку площадей, что, в свою очередь, уменьшает расходы на его выращивание и предотвращает дополнительное загрязнение окружающей среды.

Ботаническая характеристика и происхождение

Родиной мискантуса являются просторы Японии, Южных Курил, Маньчжурии, Кореи, Таиланда, восточного побережья США. Род Miscanthus sinensis объединяет более двадцати разных морфологических видов. В естественных условиях это растение вырастает до 6 м в высоту, диаметр стеблей может достигать 6 см, а вегетация может продолжаться 30 лет.

В начале V столетия н. э. мискантус применялся только в Китае как противоэрозионная культура. В Европу он попал в XVI столетии, но трактовался только как декоративное растение.

В 1935 году датский ученый Ансель Ольсен завез в Европу из Японии образцы мискантуса, положившие начало селекции растений, которые используются в настоящее время. Ученые этим растением начали заниматься в 1983 году на Станции селекции растений в Дании. Из­за способности давать большой прирост биомассы датский селекционер Карл Фостер дал этому растению название Miscanthus sinensis Giganteus. С того времени ведутся интенсивные исследовательские работы в Германии, Великобритании, Италии, Франции, Испании, Польше и других странах Европы.

В 1993 году еще один известный датский селекционер Линде Лаурсен доказал, что Miscanthus sinensis Gigаnteus является триплоидом (плоидность - число наборов хромосом, находящихся в ядре клетки), поэтому может размножаться генеративно, то есть у растения стерильная пыльца. Под влиянием результатов дальнейших исследований название растения было заменено на Miscanthus Giganteus.

Мискантус принадлежит к отделу покрытосеменных (Angispermal), класс однодольных (Monocatyledoneae), ряд (Glumifloreae), семейство злаковых (Gramineae), род Miscanthus (Anderse), вид Miscanthus Giganteus Greef i Deu.

Климатические требования мискантуса гигантеуса

В Европе мискантус начинает расти в апреле, когда температура почвы достигает 10-12 °С, а заканчивает расти под влиянием заморозков в ноябре. Температура, необходимая для начала вегетации, колеблется от +5 до +10 °С в зависимости от генотипа. Учитывая, что мискантус относится к культурам с механизмом фотосинтеза С4, его можно выращивать в климатических условиях климата Центральной и Восточной Европы.

Хотя оптимальная температура для фотосинтеза у мискантуса 28-32 °С, в условиях Восточной Европы среднесуточная температура вполне подходит для получения высоких урожаев биомассы этой травы - 20-30 т сухого вещества с гектара.

Самая большая повреждаемость растений заморозками наблюдается в первый год зимовки после посадки. Вымерзанию могут подвергнуться до 90% растений. Малый снежный покров или его полное отсутствие делают растения незащищенными в сильный мороз и способствуют вымерзанию. Мульчирование посадок мискантуса соломой зерновых культур позволяет повысить уровень перезимовки до 79-92%. Весенние заморозки приводят лишь к незначительной потере урожая благодаря высокой регенерационной способности растений. В дальнейшем растение адаптируется и хорошо переносит зимовку. Из нашего семилетнего опыта выращивания мискантуса: начиная со второго года жизни, проблем с перезимовкой не было.

Для нормальной вегетации мискантусу гигантеусу необходимо около 700 мм осадков. Такие повышенные требования к обеспеченности влагой, несмотря на незначительное поглощение воды для продуцирования 1 кг сухого вещества (около 250 л), обусловлены большим объемом биомассы, получаемым с единицы площади грунта.

Энергетические плантации

Рис. 5. Уборка урожая мискантуса на опытном участке


Рис. 6. Мискантус, посадочный материал


Рис. 7. Биомасса мискантуса после уборки и измельчения

Трава мискантус по ряду вышеизложенных свойств - оптимальный источник биомассы, на основе которого можно создавать так называемые энергетические плантации. Как известно, основной недостаток биомассы как источника энергии - ее рассредоточенность по поверхности. Решение этой проблемы - энергетические плантации, участки земли, на которых культивируются быстрорастущие растения (деревья, кустарники, трава) для получения большого объема биомассы с единицы площади. Энергетические плантации - очень хороший вариант для частных энергогенерирующих компаний, работающих на биотопливе для обеспечения себе сырьевой независимости. В настоящее время энергетических плантаций для выращивания твердого биотоплива у нас нет, а энергетические растения, такие как мискантус, выращиваются лишь на отдельных небольших опытных участках (рис. 5). Поэтому организация энергоплантации мискантуса должна осуществляться в два этапа. На первом этапе сырьем для предприятия служат отходы биомассы, которые закупаются у местных лесопромышленных или сельскохозяйственных предприятий. На втором этапе, который реализуется параллельно с первым, создается энергетическая плантация мискантуса. Для этого предлагается следующая схема:

Таким образом, в конце третьего года предприятие сможет работать частично на собственном сырье, выращенном в энергетических рассадниках (рис. 7). Переход на 100% собственного сырья при правильной организации работ возможен к началу седьмого года реализации проекта. Создание плантаций по выращиванию твердого биотоплива - процесс не быстрый и, безусловно, требующий определенных инвестиций на начальном этапе, но целенаправленная реализация подобных проектов смогла бы не только обеспечить энергетическую независимость в пределах региона, но и в перспективе кардинально изменить экономическую эфективность производства твердого биотоплива.

Идеей создания энергоплантаций всерьез заинтересовалась Европа. Сегодня уже есть интересный опыт по созданию комплексных предприятий, которые, помимо производства энергии (как тепловой, так и электрической), выращивают 100% необходимой для этого биомассы, самостоятельно ее перерабатывают и рафинируют. При этом вся производственная цепочка достаточно локализована. С экономической точки зрения целесообразно создавать предприятия производительностью 5-10 тыс. т пеллет в год. Увеличение мощности вызывает дополнительные расходы на перевозку сырья и ухудшает экономические показатели производства.

Рафинирование биомассы

По сравнению с ископаемым топливным сырьем у биомассы имеются недостатки - неоднородность и низкая энергетическая плотность. Если вы бросите в небольшой костер охапку дров, влажных от дождя, такие поленья могут загасить его или будут долго разгораться, в то время как сухие тонкие веточки из той же охапки выгорят в момент. Для того чтобы процесс горения (окисления) биомассы был прогнозируемым и хорошо контролируемым, придумали ее рафинировать - технологию производства топливных гранул, или пеллет.

Потребители оценивают топливные гранулы не только по стоимости, но и по основным эколого­энергетическим характеристикам: теплоте сгорания, зольности, плотности, содержанию экологически опасных примесей. Древесные гранулы являются стандартизированным видом топлива, то есть для них существуют нормативы. Многие страны уже приняли стандарты качества для топливных брикетов и гранул. В Германии нормативы называются DIN (Немецкий промышленный стандарт). В Европе до недавнего времени пользовались немецким стандартом DIN 51731 и стандартом Австрии OENORM M 7135. В связи с появлением на рынке низкосортных древесных гранул, изготовленных преимущественно за рубежом, весной 2002 года в Германии ввели новый сертификат DIN Plus для топливных гранул. По сути, этот сертификат объединил немецкий и австрийский стандарты.

Российские производители пеллет ориентируются на европейские стандарты, так как у нас пока нет соответствующих нормативов и рынок слабо развит. Но в Евросоюзе также нет единого стандарта на пеллеты, в разных странах стандарты значительно отличаются друг от друга. Но все они построены по единому принципу - регламентирования качественных показателей биотоплива.

Качества биотоплива

Калорийность. Обычно измеряется в килоджоулях или килокалориях на килограмм (кДж/кг или ккал/кг). Безусловно, чем выше калорийность топлива, тем больше энергии можно извлечь из него в процессе обычного горения. Однако это не значит, что более калорийное топливо дает более калорийный газ в процессе газификации. Это важно, и поэтому далее мы рассмотрим некоторые особенности калорийности твердого топлива, влияющие на калорийность газа.

Содержание золы. С этой характеристикой топлива все ясно - она показывает, сколько в топливе балласта, который не горит и пользы не приносит. Обычно зольность твердых видов топлива колеблется от 0,5% (качественное дерево) до 50% (рисовая шелуха и пеллетированный помет). Кроме того, надо следить за температурой плавления золы, с тем чтобы образовавшаяся зола не превращалась под действием высокой температуры в трудноудаляемый шлак.

Содержание «летучих». Любая биомасса, за исключением угля, как древесного, так и каменного, содержит так называемый летучий компонент, состоящий из водорода, кислорода и части углерода, который при повышении температуры в процессе пиролиза легко переходит в газообразное и жидкое состояние. Кроме того, быстрый пиролиз летучего компонента дает очень пористый древесный уголь. В нем остается почти чистый углерод, легко утилизируемый за счет реакционной способности при дальнейшей работе газификатора. Поскольку летучий компонент, ввиду начального содержания кислорода, обычно менее калориен, чем само топливо, в процессе газификации происходит интересный парадокс. За счет высокой реакционной способности древесного угля (угля из биомассы) и интенсивного образования пиролизных газов генераторный газ из биомассы с высоким содержанием летучих оказывается калорийнее топлива без летучей компоненты! Для понимания пределов применимости этого правила приводим диаграмму калорийности газа (рис. 8).

Как видно их данных диаграммы, максимум калорийности генераторного газа приходится на общую влажность топлива (химическую влагу летучего компонента и обычную воду в топливе) - примерно 30-40%. (Для справки: у абсолютно сухого дерева скрытая химическая влажность составляет около 47%.) Таким образом, по данным диаграммы калорийности газа выводится эмпирическое правило для твердого топлива: биомассные виды топлива для газификации надо сушить, а угли - древесный и каменный - приходится смачивать. Кроме того, сами летучие - довольно неоднородная «компания». Если лигнины дают калорийные пиролизные газы, то с ними же связана и наибольшая смолистость из­за наличия ароматических соединений. А смола в генераторном газе, как известно, основной «убийца» оборудования. Наименьшую смолистость имеют гемицеллюлозы. Сама же целлюлоза занимает промежуточное положение между гемицеллюлозами и лигнинами как по калорийности пиролизных газов, так и по содержанию смол. Трудность газификации летучих можно оценить из данных, приведенных на графике (рис. 9).

Рис. 10. Топливные гранулы из мискантуса

Как видно из диаграммы калорийности (рис. 8), лигнин не разлагается полностью и при 600 °С, в то время как целлюлоза полностью разлагается уже при 400 °С, а гемицеллюлоза - при 300 °С. Наибольшей калорийностью отличается чистый углерод, но для его газификации надо использовать кислород, который приходится брать из окружающего воздуха. Но из воздуха в генераторный газ попадет негорючий азот, которого в воздухе больше 78%. Из­за этого в составе генераторного газа, полученного из чистого угля, не менее 50% азота. Смачивание же угля водой позволяет использовать термолиз воды для получения водорода, который тоже неплохо горит, и для освобождения кислорода для газификации угля.

Резюмируя вышеизложенное, можно заключить, что идеальным топливом для газификатора обращенного процесса (наиболее популярный тип) являются влажный древесный уголь и (или) максимально сухая биомасса с максимальным содержанием гемицеллюлоз и целлюлоз. Для обоих этих видов топлива важным является минимальное содержание золы с максимальной температурой плавления.

Таблица 2. Физико-химические свойства пеллет, изготовленных из
мискантуса гигантеуса

Мы изготовили экспериментальную партию пеллет из мискантуса (рис. 10) и приводим результаты анализа этих пеллет (табл. 2).

В целом результаты неплохие. Особенно порадовала зольность - проблемы со шлаками будут умеренными и преодолимыми. Низшую теплотворную способность в процессе промышленного пеллетирования за счет уменьшения влажности сырья до нормальных 8-10% можно довести до обычных для биомассы 4200 ккал/кг.

Поскольку содержание лигнина в мискантусе минимально (что, кстати, затрудняет пеллетирование и брикетирование, но улучшает плотность гранулы), растение представляет собой прекрасное топливо для газогенератора.

Владимир ЗИНЧЕНКО,
Михаил ЯШИН