Черное золото кончается. Подать семицветное!

Возможность отказа от нефти и переход на биотопливо выглядят настолько привлекательными, что многим становится непонятным, почему это ещё не сделано. Одна из технических проблем применения различных видов биотоплива – отсутствие их стандартизации. Ведь оценить и гарантировать качество биотоплива можно только в том случае, если его качественные характеристики четко определены и должным образом узаконены.

Децентрализованное энергоснабжение

В последнее время резко возросло число различных групп потребителей, заинтересованных в получении биоэнергии. Это произошло благодаря росту возможностей по производству биотоплива, переплетению производства и переработки биомассы с другими видами хозяйственной деятельности человека. Фермеры, лесники, пивовары, представители бумажной, молочной промышленности, предприятий по переработке сточных вод – все сегодня заинтересованы в решении проблем, связанных с получением биоэнергии. Как ни странно, представители отраслей, занимающихся производством традиционных видов энергии, часто менее многочисленны при обсуждении вопросов биоэнергетики, чем представители перечисленных выше отраслей. Однако повышение стоимости производства энергии, рост цен на ископаемые энергоносители, экологические проблемы и вопросы эстетического порядка, связанные с биоэнергией, заставили всех заинтересоваться этим вопросом.

Одним из вариантов решения энергетической проблемы является производство тепловой и силовой энергии из биомассы. Интерес к этому направлению вполне понятен. Отходы биомассы являются одним из самых удобных для использования видов топлива в сельском и лесном хозяйстве. Кроме того, переход на возобновляемые источники энергии, пожалуй, единственный путь избежать экологического и энергетического кризиса. Главные сдерживающие факторы широкого использования в России биомассы как топлива – отсутствие, во-первых, соответствующего государственного стимулирования и регулирования развития альтернативной энергетики и, во-вторых, стандартов на топливные характеристики биомассы. Отсутствие стандартов сдерживает применение биотоплива в уже существующих силовых и энергетических установках, так как производители подобных установок отказываются проводить их гарантийное обслуживание при использовании несертифицированных видов топлива.

Лесохозяйственное и сельскохозяйственное энергопотребление имеет свои специфические особенности. Прежде всего, это рассредоточенность энергопотребления и незначительность масштабов потребления энергии для единичных объектов. Эти особенности сказываются на качестве энергоснабжения объектов сельского и лесного хозяйства: их устойчивое энергоснабжение уже в настоящее время невозможно без использования возобновляемых источников энергии и альтернативных энергоносителей. Исторически сформировалось два основных способа энергообеспечения работ в лесном и сельском хозяйстве. Мобильные процессы (тракторы, авто-техника) – за счет жидких видов топлива нефтяного происхождения; стационарные процессы – энергообеспечение от централизованных государственных электрических сетей. В силу ряда причин оба вида энергообеспечения становятся все более дорогими и ненадежными. В различных концепциях развития лесной и сельскохозяйственной энергетики все чаще упоминаются системы децентрализованного энергоснабжения на основе местных возобновляемых источников энергии, таких как растительные остатки биомассы и торф. Одной из технических основ создания устойчивой модели децентрализованной энергетики, базирующейся на создании в лесном и сельском хозяйстве своей собственной энергетической базы, своих местных энергетических систем, является осуществление идеи комплексного использования всех местных энергетических ресурсов в соответствии с экономикой лесо- и сельскохозяйственных районов и их территориально-природными условиями. При такой постановке вопроса неизмеримо возрастает роль растительных отходов, превращающихся в активную статью топливно-энергетического баланса региона. Кроме того, использование местных возобновляемых видов топлива не только экологически целесообразно, но и экономически рентабельно, так как способствует экономическому и социальному развитию региона. Деньги, которые будут выплачиваться за энергоносители местного происхождения, будут оставаться внутри региона и способствовать его дальнейшему развитию.

В рамках данной публикации мы постараемся обобщить отечественный опыт в области классификации видов топлива на основе растительной биомассы для использования в энергетических и силовых целях, а также осветить комплекс проблем, обуславливающих необходимость стандартизации и сертификации видов топлива на основе биомассы.

Проблемы использования

Заявление о возможности использования отходов растительной и древесной биомассы при производстве биотоплива в некотором смысле является противоречивым. Как только мы начинаем использовать отходы или побочные продукты, они перестают быть отходами и превращаются в товар, на который владелец начинает назначать цену. Наглядный тому пример – ситуация со стоимостью соломы на европейском рынке. При появлении на нее спроса как на топливо она резко подорожала. Для поддержания производства биотоплива из отходов сельского хозяйства европейские власти вынуждены были ввести субсидирование.

Если мы располагаем отходами собственного производства, возможность использования их в качестве топлива сводится к общей оптимизации производственных издержек. Возможность использования своих отходов будет зависеть от многих факторов, таких как соотношение объема образующихся отходов и текущей потребности в энергии; стоимость оборудования, необходимого для переработки этих отходов; влияние неутилизированных отходов на окружающую среду и связанные с этим расходы.

Возьмем, к примеру, опилки или солому – отходы, образующиеся в значительных количествах и, наверное, наиболее характерные для лесного и сельского хозяйства. Оба вида отходов можно приобрести по цене 200−300 рублей за тонну. Оба вида являются предметом широких исследований, проводимых с целью изыскания надежного способа их переработки. С помощью физических и химических способов как опилки, так и солома могут быть превращены в различные продукты, потенциально более ценные, чем энергия. Существует довольно большой их перечень, сюда, например, относятся бумага, сахар, спирт, фурфурол и т. д. (рис. 2).

Однако стоимость исходного сырья часто бывает слишком высока для реализации таких технологий. Экономические вопросы превращения соломы и опилок в энергию стоят ещё более остро.

Возможно, отчаявшись извлечь выгоду из «отходов» с высокими закупочными ценами, внимание сосредоточат на отходах, утилизация которых может быть оплачена (например, лесосечные отходы, отходы деревообрабатывающих предприятий или лузга масложировых комбинатов). Эффективное удаление этих отходов может явиться своего рода субсидированием процессов их переработки. Утилизация отходов необходима в первую очередь с точки зрения охраны окружающей среды, а получаемое при этом топливо может быть побочным продуктом.

Экономика процессов удаления отходов и выработки энергии является весьма сложной. Вопрос удаления отходов часто находится в ведении правительства, и его решение не всегда преследует те же цели, что решение о создании коммерческого предприятия. Кредиты компаниям, занимающимся переработкой отходов, не всегда соответствуют объему издержек, возникающих в процессе производства.

Стоит также обратить внимание на тот факт, что биомасса, как возобновляемое сырье, более пригодна для энергетического использования. Ископаемые виды топлива, запас которых ограничен, более целесообразно перерабатывать в различные вещества, получение которых из другого сырья невозможно или весьма затруднительно (рис. 3).

Суть классификации

Прежде чем начать исследования по такой технико-экономической проблеме, как энергетическое и силовое использование отходов биомассы, важно определить специфику этой проблемы. Растительные отходы исключительно разнообразны как по характеру своего естественного строения, так и по способу образования в ходе обработки или переработки первичного сырья. Различны и физико-химические свойства этих отходов как топлива, зависящие от ботанических особенностей, условий произрастания, климата и почвы. Биологические отходы имеют ряд свойств, которые отличают их друг от друга, а также от традиционных видов топлива. В то же время наиболее важные характеристики отходов с точки зрения использования их как энергоносителей – теплота сгорания единицы массы, химический (элементный) состав – достаточно близки. Кроме того, в силу особенностей климатических условий России непрерывное использование непосредственно неулучшенной биомассы даже в комплексе затруднено. Именно в периоды наименьших возможностей потребности в энергии многих технологических процессов в сельском хозяйстве наибольшие, и наоборот. Для закрытия таких периодов необходимо создание и отработка технологий хранения различных видов топлива на основе биомассы, что затруднительно без дополнительной её переработки.

Форма и размер зерна (куска) топлива имеют особое значение для процесса его газификации и сжигания, поэтому этот признак положен в основу классификации растительных отходов. Такая классификация дает возможность не только представить в виде стройной системы все разно¬образие растительных отходов России, но и полезна для изучения их газификационных характеристик и выбора технологии их подготовки для газификации.

В основу предлагаемой семиклассной классификации растительных отходов положен их основной биологический признак, определяющий естественную форму растения или той его отдельной части, которая получается в результате уборки и первичной обработки. Классификация твердых видов биотоплива начинается с определения их происхождения, по которому они делятся на следующие группы: биотопливо на основе отходов древесины, биотопливо на основе травянистых растительных остатков и на основе вторичной биомассы.

Исходя из этих соображений характеристика классов растительных отходов определилась следующими физическими признаками: стебель, зерно двух классов крупности и, наконец, пластинка (лист); а характеристика классов древесных отходов определилась твердостью породы древесины и её частью: стволовая древесина, кора, древесная гниль и биомасса элементов кроны дерева.

Каждый класс классификации имеет подклассы, объединяющие отходы с более индивидуальными особенностями их строения. Подкласс делится на отдельные группы растительных отходов с однородными физическими характеристиками. Виды растительного топлива классифицируются по степени улучшения. Неулучшенным считается топливо, при производстве которого сырье измельчается или пакетируется без изменения механических свойств. К такому виду топлива относят традиционные дрова, чурки, щепу, прессованные древесные отходы, отходы деревообработки (опилки, стружка). Типичные представители улучшенного топлива – древесные брикеты и пеллеты (древесные гранулы).

Как видно по приведенной классификации (рис. 4), она достаточно полно охватывает номенклатуру растительных отходов, представляющих основную массу ежегодно возобновляемого топлива в сельском и лесном хозяйстве, и дает возможность дифференцированно подойти к расчету их годового баланса.

Все проблемы использования биотоплива в своей основе связаны с первыми двумя законами термодинамики. Ресурсы биоэнергии, доступные человеку, достаточно велики (первый закон), но слишком «разбавлены» (второй закон). Мы неизбежно сталкиваемся с фактом незначительности объема отходов биомассы в сельском хозяйстве и лесоводстве и с их низкой энергетической плотностью в сравнении с ископаемыми или ядерными видами топлива.

Объем биологических ресурсов, которые используются в настоящее время сельским и лесным хозяйством, сравнительно мал с точки зрения получаемой энергии. Широкое использование биоресурсов для производства энергии могло бы оказать позитивное влияние на другие отрасли промышленности. В энергетике практически всегда исторически складывалось так, что проходили десятки лет и даже века, прежде чем новые виды топлива достигали значительной доли в общем потреблении энергии.

Переход к использованию новых видов энергии происходил тогда, когда этому способствовали механизм цен и новые технологии. Сегодня такими технологиями являются, прежде всего, энергетические плантации быстрорастущих пород древесины и кустарника (рис. 1). Развивать биоэнергетику только на отходах лесного и сельского хозяйства чревато сведением лесов.

Растительные отходы в сельском хозяйстве представляют мощную базу газификации для получения моторного газа. Базу, которая может служить реальным основанием для планирования и развития самостоятельной сети низовой энергетики с газовыми ДВС (двигателями внутреннего сгорания). Ежегодная возобновляемость этой сырьевой базы обеспечивает устойчивость созданной на её основе энергетической системы. И это очень важная её хозяйственно-экономическая особенность.

Рассмотренная в статье система классификации растительной биомассы была бы неполной, если не упомянуть про такое топливо растительного происхождения, как торф. Его можно условно отнести к медленно возобновляемым видам топлива биологического происхождения. Возникающий при его сжигании углекислый газ считается парниковым, из-за чего торфяное топливо не рассматривается как экспортный продукт для мирового рынка биотоплива. Но в то же время биотопливо на основе торфа имеет все возможности для завоевания внутреннего рынка: оно дешевое, более экологичное, чем топливо нефтяного происхождения, существует отработанная технология по его улучшению и необходимое для этого оборудование. Классификацию видов топлива на основе торфа более подробно мы рассмотрим в ближайшем номере журнала.

А. А. САМЫЛИН, М. Г. ЯШИН

Вопросы и комментарии к статье вы можете направить авторам по е-mail: gasgen@gmail.com